Alternativas de solución para el tratamiento de efluentes textiles DRA. ALEJANDRA ALICIA PELÁEZ CID Comisión de especialidad: Ingeniería Textil Objetivos Introducción Problemática en la industria textil Técnicas de tratamiento de los efluentes textiles Adsorción 2 Conclusiones OBJETIVOS Introducción Problemática en la industria textil Técnicas de tratamiento de los efluentes textiles Adsorción 3 Conclusiones Enfatizar en la utilidad del proceso de adsorción y las nuevas tendencias en la producción de adsorbentes Mostrar como la combinación de diferentes técnicas de tratamiento mejoran significativamente la calidad del agua. 4 OBJETIVOS Presentar las alternativas de solución para el tratamiento de efluentes textiles que contienen colorantes, las características de los métodos químicos y físicos, sus ventajas y desventajas. Objetivos INTRODUCCIÓN Problemática en la industria textil Técnicas de tratamiento de los efluentes textiles Adsorción 5 Conclusiones INTRODUCCIÓN La ingeniería textil tiene como objetivos: • Estudiar • Planificar • Desarrollar técnicas que permitan mejorar la calidad y competitividad de sus productos • Implementar 6 Incrementar la productividad de todos sus procesos. INTRODUCCIÓN Durante el proceso de teñido se producen efluentes altamente coloridos que afectan negativamente la vida acuática cuando son descargados a ríos y lagos sin tratamiento previo. 7 El COLOR es la cualidad que más influye en la compra de las prendas y muchos otros productos. SUSTENTABILIDAD EN MÉXICO Como ingenieros consientes del deterioro ambiental, comprometidos con la sustentabilidad de México, debemos recordar la responsabilidad en nuestra práctica profesional. 8 Proponer e implementar soluciones eficaces y económicas, para el tratamiento de los efluentes generados, las cuales disminuyan y resuelvan los problemas de contaminación durante la operación de las fábricas textiles sin que impacten de manera negativa en los costos de producción. INSUMOS EN LA INDUSTRIA TEXTIL La industria textil consume grandes volúmenes de agua: • 30 – 60 L por kg de tela teñida (R. Sivaraj, 2001) • 200 L por kg de producto textil (Gilabert, 2002) • 100 L por kg de tela producida (Industria textil mexicana de acabados de algodón). Reactivos químicos empleados son muy diversos: Agentes tensoactivos Polímeros Compuestos inorgánicos Compuestos orgánicos Colorantes 9 • • • • COLORANTES Comercialmente se producen más de 100,000 colorantes. Producción anual superior a 7x108 kg Industria textil es la mayor consumidora con el 50% de la producción mundial Los colorantes debido a su compleja estructura química y origen sintético, son resistentes a la decoloración Exposición a la luz Calor Agua Detergentes Muchos productos químicos. 10 • • • • • EFECTO DE LOS COLORANTES EN EL AMBIENTE La presencia de colorantes aún a bajas concentraciones en los efluentes es muy visible e indeseable. 11 En las corrientes, el color afecta la naturaleza del agua e inhibe la penetración de la luz solar reduciendo la fotosíntesis. LOS COLORANTES EN EL AMBIENTE Muchos colorantes son inocuos y no tóxicos a las concentraciones descargadas dentro de los cuerpos de agua receptores. Sin embargo, una gran cantidad de colorantes se sintetizan a partir de compuestos carcinogénicos tales como la bencidina y otros compuestos aromáticos, liberando al degradarse en el ambiente estos compuestos tóxicos. 12 Además muchos efluentes textiles presentan valores elevados de temperatura, pH, conductividad y DQO, por lo que los métodos biológicos resultan ineficaces en el tratamiento de los efluentes textiles. Función de su forma de aplicación: Para piel Ácidos (aniónico) Mordentes Azóicos Naturales Básicos (catiónico) Reactivos (aniónico) Directos (aniónico) Solventes Dispersos (no iónico) Sulfurosos Brillo Fluorescente Cuba (no iónico) Alimentos Pigmentos *Colour Index International 13 CLASIFICACIÓN DE LOS COLORANTES* CLASIFICACIÓN DE LOS COLORANTES* Tiazol Indamina Nitro y Nitroso Indofenol Azo Tiazina Estilbeno Oxacina Carotenoides Sulfurosos Difenilmetano Lactona Triarilmetano Aminocetona Xanteno Hidroxicetona Acridina Antraquinona Quinolina Indigoide Metino Ftalocianina *Colour Index International 14 Función de su estructura química (cromóforo): PRODUCCIÓN MUNDIAL DE FIBRAS* PA 5% PP PAN 4% 3% Algodón 38% PET 48% *Oerlikon Textile, 2009 Seda Seda 0.2% 0% 15 Lana 2% GRADO DE FIJACIÓN DE LOS COLORANTES Durante el proceso de teñido, cierta cantidad del colorante no es capaz de interaccionar con el sustrato textil, permaneciendo en el baño de tintura. Tipo de colorante Fibra textil Grado de fijación (%) Dispersos Poliéster 90-100 Cuba Reactivos 70-95 Algodón 80-95 50-90 16 Directos COLORANTES DISPERSOS O NH2 O NH Azul Disperso 19 HO H3CCONH N=N CH3 Poliéster Grado de fijación: 90–100% 17 Amarillo Disperso 3 COLORANTES CUBA OH O CH3 CH3 Reducción Oxidación CH3 Colorante 2,3-Dimetilantraquinona Algodón Grado de fijación: 80–95% OH Forma Leuco (incolora) 2,3-Dimetil-9,10Dihidroxiantraquinona 18 O CH3 COLORANTES DIRECTOS OH N=N N=N NH2 Azul Directo 150 N N NaO3S N=N NaOOC NaO3S N N N=N N N H H N=N H2N N=N NH2 N=N H2N N=N COONa SO3Na NH2 Algodón Grado de fijación: 70–95% 19 Café Directo 44 COLORANTES REACTIVOS + + + + Diazo Vinilsulfonil Negro Reactivo 5 Antraquinona Algodón Grado de fijación: 50–90% Diclorotriazinil 20 Azul Reactivo 4 Objetivos Introducción PROBLEMÁTICA EN LA INDUSTRIA TEXTIL Técnicas de tratamiento de los efluentes textiles Adsorción 21 Conclusiones PROBLEMÁTICA EN LA INDUSTRIA TEXTIL La industria textil debe vencer numerosos retos para lograr transformar las materias primas en productos útiles para la sociedad. La problemática para lograr sus objetivos es muy variada y depende de cada empresa en particular. Sin embargo problemas comunes a todas las empresas son: 22 Suministro de agua Disposición de los efluentes generados durante la producción. SUMINISTRO DE AGUA En México el costo del m3 de agua entubada varía de región en región y depende de la facilidad para su extracción. Información de CONAGUA (2013) indica que el costo del agua en México oscila entre $3.00 y $18.50 por m3 consumido, en promedio el costo es de $10.75/m3. 23 Considerando que una fábrica textil procesadora de algodón puede consumir mensualmente un promedio de 20,000 m3 de agua, el gasto mensual por este concepto es de $215,000. IMPACTO DE LAS ACTIVIDADES TEXTILES No obstante que los sistemas aéreos, terrestres y acuáticos pueden ser impactados negativamente por las actividades textiles. El mayor impacto recae en el agua, debido a que los procesos de teñido utilizan grandes volúmenes de agua y elevadas cantidades de colorantes y productos químicos que sirven como auxiliares de teñido durante la coloración de las telas y prendas por comercializar. 24 ¿Cómo evaluar el impacto de la contaminación del agua? PARÁMETROS DE CALIDAD DEL AGUA Temperatura: elevada disminuye la solubilidad del O2 y aumenta la de las sales. pH: mide la acidez o basicidad del medio acuoso. Color: reduce la penetración de la radiación solar en los cuerpos de agua, alterando los procesos de fotosíntesis. Conductividad eléctrica: indica el contenido de sales en el agua. Sólidos: indica la presencia de compuestos solubles e insolubles presentes en el agua. Demanda química de oxígeno (DQO): es una medida de la cantidad de materia orgánica presente en el agua. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO): es una medida de la cantidad de materia orgánica biodegradable presente en el agua. 25 La calidad del agua puede evaluarse en términos de: pH Conductividad (mS/cm) Sólidos totales (mg/L) DQO (mg/L) 50 9.2 54.8 50,330 652 Azul Directo 50 10.4 31.1 39,780 786 Azul Reactivo 40 11.5 46.9 30,290 3651 Rojo Reactivo 40 11.1 28.4 19,320 822 Gris Cuba 40 11.9 13.5 11,140 3360 Negro Cuba 40 8.7 8.6 17,590 19740 Tipo de Colorante T (°C) Verde Directo 26 CALIDAD DEL AGUA RESIDUAL CONTENIENDO DIFERENTES TIPOS DE COLORANTES NORMAS MEXICANAS La DQO debe encontrarse entre 200 y 240 mg/L, según la NORMA Oficial Mexicana NOM-CCA-014ECOL/1993, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a cuerpos receptores provenientes de la industria textil. 27 La NORMA Oficial Mexicana NOM-002-ECOL-1996, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal, marca una temperatura máx. de 40 °C, un pH de 5.5 a 10 y un máx. de 200 mg/L de sólidos suspendidos totales. Objetivos Introducción Problemática en la industria textil TÉCNICAS DE TRATAMIENTO DE LOS EFLUENTES TEXTILES Adsorción 28 Conclusiones MÉTODOS QUÍMICOS DE TRATAMIENTO Proceso de oxidación Método más utilizado para la degradación de los efluentes textiles por medios químicos. Con la oxidación química se degrada el colorante contenido en el efluente por oxidación, lo que provoca la ruptura de los grupos cromóforos de las moléculas de colorante. 29 Principal agente oxidante: H2O2 (peróxido de hidrógeno). Agente activante: Radiación UV. Los métodos de degradación química varían en función de la forma en que se activa el H2O2. PROCESOS DE OXIDACIÓN Oxidación con reactivo de Fenton (H2O2 - sales de Fe(II)) Tratamiento con O3 (ozonización) Degradación fotoquímica Tratamiento con hipoclorito de sodio (NaClO) Degradación electroquímica Ventajas Decoloración efectiva de colorantes solubles e insolubles Rompimiento de los enlaces de los cromóforos Simplicidad de aplicación Desventajas Generación de lodos y formación de subproductos Liberación de aminas aromáticas carcinogénicas Elevados costos para algunos de ellos 30 COAGULACIÓN La coagulación es la desestabilización de las partículas coloidales causada por la adición de un reactivo químico coagulante el cual, al neutralizar sus cargas electrostáticas, hace que las partículas tiendan a unirse entre sí formando coágulos o flóculos. Los factores que promueven la coagulaciónfloculación son el gradiente de velocidad, el tiempo y el pH. 31 El pH es el factor desestabilizante de las sustancias coagulantes. AGENTES COAGULANTES Los agentes coagulantes más utilizados en la clarificación de las aguas residuales son: Sulfato de aluminio Sulfatos férrico y ferroso Cloruro férrico Aluminato de sodio Hidróxido y óxido de calcio Clorhidrato de aluminio Policloruro de aluminio Los agentes coagulantes poliméricos, aunque son más costosos dan mejores resultados ya que producen flóculos más grandes que sedimentan rápidamente. 32 FLOCULACIÓN La floculación es un proceso físico mediante el cual, con la adición de sustancias denominadas floculantes, se aglutinan las sustancias coloidales desestabilizadas presentes en el agua, facilitando de esta forma su sedimentación. La floculación tiene relación con los fenómenos de transporte dentro del líquido para que las partículas hagan contacto. 33 El proceso de floculación es precedido por la coagulación, por eso muchas veces se habla de los procesos de coagulación-floculación. AGENTES FLOCULANTES Los floculantes sintéticos son polielectrolitos orgánicos con cadenas ramificadas o lineales como: Poliacrilamidas catiónicas, aniónicas o anfóteras Copolímeros de acrilamida-acrilato de sodio. Los floculantes naturales son compuestos inorgánicos como: 34 Bentonita Sílice activada MÉTODOS FÍSICOS DE TRATAMIENTO Floculación Filtración con membranas Intercambio Iónico Adsorción Carbón activado (AC) Ventajas: Eliminación de una amplia variedad de colorantes Resistencia a un ambiente químico adverso Desventajas: 35 Producción de lodos Algunos de ellos son costosos Objetivos Introducción Problemática en la industria textil Técnicas de tratamiento de los efluentes textiles ADSORCIÓN 36 Conclusiones ADSORCIÓN La adsorción es el fenómeno de acumulación de partículas sobre una superficie. Es un proceso por el cual moléculas, átomos o iones son atrapados o retenidos en la superficie de un material. Adsorbato Desorción //////////////////// Adsorbente //////////////////// 37 Adsorción ADSORCIÓN FÍSICA Y QUÍMICA Existen dos tipos fundamentales de adsorción dependiendo a las fuerzas de interacción entre las moléculas adsorbato y el adsorbente. La adsorción física es una interacción de largo alcance pero débil (Van der Waals), una molécula físicamente adsorbida mantiene su identidad. La fisisorción siempre es reversible, estableciéndose el equilibrio: adsorción-desorción. En la adsorción química el adsorbato se une a la superficie del adsorbente formando un enlace covalente. 38 Durante la quimisorción la superficie del adsorbente se modifica, dando lugar a un nuevo adsorbente. ADSORCIÓN En los procesos de tratamiento de las aguas residuales ocurre la fisisorción, permitiendo la regeneración del adsorbente para que recupere sus capacidades adsorptivas. La adsorción es uno de los métodos físicos más efectivos para la remoción del color y el tratamiento de los efluentes textiles. Ventajas: Las moléculas de colorante son removidas del agua residual, en lugar de que sean rotas o degradadas a otros compuestos más peligrosos que los colorantes mismos. 39 Es posible recuperar los colorantes en forma concentrada por desorción. ADSORBENTES El carbón activado es uno de los materiales adsorbentes convencionalmente utilizado en el tratamiento de los efluentes textiles por su alta capacidad de adsorción de la materia orgánica. Su relativamente elevado costo y las dificultades de su regeneración limitan su utilización a gran escala, especialmente en las empresas en donde la cuestión económica es una limitante para el tratamiento de los efluentes. 40 Por lo tanto, hay una creciente necesidad de encontrar adsorbentes de bajo costo, renovables y disponibles localmente para la remoción de los colorantes. Durante casi tres décadas, numerosos investigadores de diferentes países han propuesto la utilización tanto de residuos vegetales e industriales como adsorbentes para el tratamiento de los efluentes textiles que contienen colorantes. Muchos de los adsorbentes propuestos no reciben ningún tratamiento químico de activación para su utilización en la remoción del color. Brasil China Egipto India Irán México Portugal Taiwán Turquía UK USA 41 ADSORBENTES NATURALES Bagazo de caña de azúcar Corteza de eucalipto Algodón Cacahuate Cebada Coco Naranja Plátano Tuna Hojas Maíz Olote Paja de trigo Pasta de linaza Pulpa de manzana Racimos de fruto de palma Aguacate Guayaba Mango Semillas Naranja Zapote blanco Girasol Brócoli Tallos Algodón 42 Aserrín RESIDUOS Cactus NATURALES Cascarillas UTILIZADOS COMO ADSORBENTES Cáscaras ADSORBENTES PREPARADOS A PARTIR DE RESIDUOS NATURALES Cáscara de naranja Tallo de calabaza Cáscara de semilla de zapote Olote Cáscara de tuna Lechuga 43 Tallo de brócoli VENTAJAS Y DESVENTAJAS La ventaja de los adsorbentes naturales es que son preparados a partir de residuos y no necesitan regenerarse, una vez que su superficie se ha saturado, estos pueden secarse y desecharse o confinarse. 44 La desventaja de los adsorbentes naturales con respecto al AC es que requieren tiempos de contacto mayores. ASPECTO DE LOS ADSORBENTES DESPUÉS DE LA ADSORCIÓN Verde Directo 1 45 Naranja Directo 26 ADSORCIÓN DE COLORANTES BÁSICOS SOBRE CÁSCARA DE TUNA Violeta Básico 3 Azul Básico 9 75 50 25 0 Tuna Tuna-NaOH Tuna-NaClO Ash-Tuna CarTunaT CarTunaQ 46 % Remoción 100 ADSORCIÓN DE COLORANTES DIRECTOS SOBRE CÁSCARA DE TUNA Verde Directo 1 Turquesa Directo 86 75 50 25 0 Tuna Tuna-NaOH Tuna-NaClO Ash-Tuna CarTunaT CarTunaQ 47 % Remoción 100 ADSORCIÓN DE COLORANTES CUBA Y REACTIVOS SOBRE CÁSCARA DE TUNA Rojo Reactivo WW Naranja Reactivo WW Cuba Marino WW 75 50 25 0 Tuna Tuna-NaOH Tuna-NaClO Ash-Tuna CarTunaT CarTunaQ 48 % Remoción 100 CARBÓN ACTIVADO (AC) El carbón activado es un excelente adsorbente que presenta una alta superficie específica y elevada porosidad. El carbón activado es uno de los adsorbentes más utilizados en el proceso de eliminación de los contaminantes industriales. 49 Estas características junto con la naturaleza química de su superficie, que depende del material precursor y del tipo de activación utilizada durante su preparación, le permiten atraer y retener superficialmente ciertos compuestos de una manera preferencial. CARBÓN ACTIVADO La producción mundial de AC en el año 2000 fue de 4x108 kg y para 2005 se duplicó. Rendimiento: 33 — 40% Industrialmente el AC se prepara por medio de pirólisis oxidativa. Maderas blanda y dura Turba Carbón mineral (lignito y antracita) Huesos de animales Cáscara de coco Bambú 50 PRESENTACIONES DEL CARBÓN ACTIVADO PAC GAC 51 FAC PREPARACIÓN DEL CARBÓN ACTIVADO Existen dos tipos de activación del carbón: Física o térmica Química Activación física, la materia prima como tal o previamente carbonizado puede someterse a gasificación durante la carbonización. H2OV, O2, CO2 o gases de combustión producidos Activación química consiste en la impregnación de la materia prima con reactivos químicos como: 52 ZnCl2, H3PO4, H2SO4, HNO3, NaOH, KOH o K2CO3 Seguida de la carbonización (controlando la velocidad de calentamiento) y finalmente lavado del carbón para eliminar el agente activante. RESIDUOS VEGETALES PARA LA PREPARACIÓN DE CARBÓN ACTIVADO Semillas Cáscaras de nueces Huesos Cascarilla Pacana Pasta Almendra Macadamia Cáscaras Cedro suaves Avellana Pistache Nogal Coco Tallos Cereza Chabacano Durazno Ciruela Dátil Fibras Aceituna Mango Moringa Paja Oleifera Cacahuate Bambú Café Vainas de flamboyant Aceitunas Café Aguacate Yuca Granada Algodón Yute Dátil Vid Kenaf Tabaco Yute Coco Palma Arroz Trigo Mazorca Bagazo de caña 53 Madera (aserrín, ramas o corteza) Eucalipto Pino Encino Acacia Abeto Olivo Caoba Corcho Palma Ciruela Aguacate Uva Naranja Guayaba Mango Macuna Mutisiana Durazno Palma REQUISITOS DE LOS MATERIALES PRECURSORES 1. Deben ser materiales con alto contenido de carbono y bajos niveles de compuestos inorgánicos con el fin de obtener un mayor rendimiento. 2. Deben ser abundantes en la región o país en el que se utilizarán para resolver cualquier problema ambiental específico. 3. El residuo generado durante el consumo de los materiales lignocelulósicos utilizados debe representar regularmente un alto porcentaje de la fuente de la que se obtiene. 54 4. Deben ser eficaces y económicos para poder ser utilizados como adsorbentes para la eliminación de los contaminantes. ADSORBENTES PREPARADOS A PARTIR DE RESIDUOS VEGETALES ABUNDANTES EN MÉXICO Cáscara de tuna Tipo de adsorbente Celulósico Carbonáceo Hueso de zapote blanco Tallos de brócoli Celulósico Carbonáceo Celulósico Carbonáceo Activación Ninguna NaOH – 50 °C NaClO – 50 °C Térmica (calentamiento súbito) Térmica – 400 °C H3PO4 – 400 °C Ninguna NaOH – 50 °C Térmica (calentamiento súbito) Térmica – 400 °C H3PO4 – 400 °C Ninguna NaOH – 50 °C H3PO4 – 400 °C Adsorbente Tuna Tuna-NaOH Tuna-NaClO Ash-Tuna CarTunaT CarTunaQ ZapNat ZapNaOH CenZap CarZapT CarZapQ BrocNat BrocNaOH CarBrocQ 55 Precursor ADSORCIÓN DE COLORANTES SOBRE LOS ADSORBENTES PREPARADOS CON TALLO DE BRÓCOLI 100 BrocNat 90 BrocNaOH CarBrocQ 70 60 50 40 30 20 10 0 Azul Básico 9 Marino Reactivo Solución acuosa Café Cuba Amarillo Cuba Agua residual Amarillo Reactivo Rojo Reactivo 56 % Remoción 80 CANTIDAD DE ADSORBENTE 76.6 % Amarillo Cuba 1 93 % m/V=10 g/L 89 % m/V=5 g/L 4 m/V=10 g/L Rojo Reactivo 3 m/V=5 g/L 57 2 72 % ASPECTO DEL AGUA RESIDUAL DESPUÉS DE 1 h DE CONTACTO CON CARBÓN ACTIVADO Sigma Agua residual CarZapQ CarTunaQ CarBrocQ 58 Hysel ASPECTO DEL AGUA RESIDUAL ANTES Y DESPUÉS DEL TRATAMIENTO 2 97.5 % 3 100 % 1. Agua residual conteniendo colorantes cuba 2. Agua tratada mediante coagulación-floculación 3. Agua tratada finalmente por adsorción utilizando CarBrocQ 59 1 CALIDAD DEL AGUA TRATADA • pH = 7.9 • Conductividad = 1.92 mS/cm • DQO = 9724 ppm Tratamiento CoagulaciónFloculación • pH = 6.9 • Conductividad = 3.19 mS/cm • DQO = 1668 ppm Tratamiento Adsorción • pH = 4.3 • Conductividad = 1 mS/cm • DQO = 654 ppm 60 Agua residual Objetivos Introducción Problemática en la industria textil Técnicas de tratamiento de los efluentes textiles Adsorción 61 CONCLUSIONES CONCLUSIONES La utilización de desechos vegetales, ya sea directamente como adsorbentes o como precursores para la preparación de carbones activados, disminuye la generación de residuos sólidos y la tala de los árboles utilizados en la preparación de carbón activado comercial, reduciendo los costos de tratamientos de efluentes conteniendo colorantes. 62 La remoción del color de los efluentes textiles es posible mediante la utilización de adsorbentes naturales, preparados a partir de residuos abundantes y de fácil adquisición en la región donde se ubican las fábricas textiles interesadas en la aplicación de un método eficiente y económico para el tratamiento de sus efluentes. CONCLUSIONES La combinación de la coagulación-floculación seguida de la adsorción, como técnicas de tratamiento de los efluentes textiles que contienen colorantes, mejora considerablemente la calidad del agua, pudiendo crear un circuito cerrado para la reutilización del agua de proceso en las fábricas de teñido. 63 Con el tratamiento de los efluentes textiles no sólo se beneficia el ambiente, reduciendo la cantidad de contaminantes que ingresan a los cuerpos de agua receptores, también el suministro de agua en las fábricas textiles puede reducirse, al lograr una calidad tal del agua que permita su reutilización parcial o total para los procesos productivos. 64 GRACIAS POR SU ATENCIÓN