UTILIZACION DE LA ZEOLITA NATURAL CUBANA EN EL TRATAMIENTO DE AGUA PARA LA INDUSTRIA AZUCARERA Laria Piedra Caridad Nahomi, Alvarez Rossell Silvia Instituto Superior Politéctnico Jose Antonio Echeverría. Calle 127 S/N Marianao, Ciudad Habana, Cuba.

RESUMEN

En el presente trabajo se aplican las técnicas de análisis de proceso para el diagnóstico de los problemas operacionales y de diseño que ocurren en la planta de tratamiento de agua del central azucarero Manuel Martínez Prieto y se evalúa el uso de la zeolita natural cubana como floculante y como material filtrante durante dos zafras consecutivas, cuestión ésta novedosa en dicha industria. Los resultados obtenidos fueron satisfactorios y se aplicaron un conjunto de medidas para mejorar el funcionamiento de la planta. El uso de la zeolita natual como floculante implica un ahorro significativo debido a que su utilización resulta 15 veces más barata que el sulfato de aluminio. Además, la utilización de la zeolita natural como material filtrante aumenta de 2 a 3 veces el tiempo de servicio de los filtros mecánicos lo que produce una disminución considerable en el agua de contralavado.

Palabras claves: análisis de proceso, zeolita, floculate y material filtrante

INTRODUCCION

La naturaleza físico-química del agua, asi como su abundancia y distribución hacen de esta especie química la más importante de todas las conocidas. Es una sustancia determinante en las características químicas y biológicas imperantes en el globo terráqueo, por lo que podemos afirmar que ella es la base de la vida. Sin embargo, el agua no llega al hombre en estado puro por lo que necesita un tratamiento adecuado para su uso doméstico e industrial. Los sistemas de suministro de agua se nutren de fuentes superficiales y subterráneas y en las regiones áridas, de las pecipitaciones. La composición del agua en las fuentes superficiales ( ríos, lagos, presas, etc ) está determinada por factores geomorfológicos y climáticos. En las aguas subterráneas esta depende de las condiciones de su formación.

La composición del agua puede incluir sustancias inorgánicas en forma de iones, moléculas y complejos moleculares, sustancias orgánicas, gases, bacterias y virus. También las aguas naturales contienen impurezas en suspensión como arena, arcilla, etc.

El objetivo fundamental de todo sistema de tratamiento de agua es disminuir tanto desde el punto de vista cualitativo como cuantitativo, las impurezas del agua, teniendo en cuenta el uso al cual están destinadas las mismas. De lo anterior se desprenden varias conclusiones:

- es imprescindible definir un criterio de calidad para el agua que tenga en cuenta qué sustancias y en qué concentración son permisibles en la misma,

- cualquier criterio de calidad que se plantee dependerá del uso que se le dé a la misma posteriormente,

- los sistemas de tratamiento de agua deben responder a los criterios de calidad establecidos y por tanto al uso que se le den,

- al establecer cualquier criterio de calidad, no deberá ignorarse ni la factibilidad técnica ni la económica para poder lograrlo.

El desarrollo creciente de la industria en especial de electricidad y vapor, de la agricultura y las obras públicas, ha incrementado el consumo de agua y por tanto los requerimientos en la calidad de la misma, por lo que actualmente se trabaja en la construcción de nuevos sistemas de suministro de agua y de plantas de tratamiento, así como en la modernización y ampliación de los existentes.

Teniendo en cuenta los aspectos señalados anteriormente y los resultados obtenidos por el grupo de investigación de tratamiento de agua de la facultad de química del ISPJAE en el uso de la zeolita natural como ayudante del proceso de coagulación y como material filtrante en diferentes industrias del país, se realizó el presente trabajo.

Objetivo: aplicación del análisis de proceso para elevar la eficiencia técnica ecónomica de una planta de tratamiento de agua, utilizando zeolita natural como floculante y material filtrante.

DESARROLLO

Breve descripción de la planta de tratamiento de agua del Central Manuel Martínez Prieto.

Dicha planta procesa 60 m3/ h de agua proveniente de una presa y consta de un clarificador tipo Spaulding, dos tanques dosificadores, uno de hidróxido de calcio y otro de sulfato de aluminio, además tiene dos tanques de preparación de la solución de cal. Unido al clarificador se encuentra una piscina donde pasa directamente el agua que se acumula en las canaletas del clarificador. Además, tiene 5 filtros mecánicos y 4 filtros de intercambio iónico interconectados estos últmos, al tanque dosificador de la solución regenerante de cloruro de sodio y que a su vez está unido a la cisterna de preparación de la solución salina.

Planteaminto del problema, metodología y propuesta de soluciones.

Para utilizar la zeolita natural como floculante en el clarificador y como material filtrante en los filtros mecánicos, fue necesario primero realizar un análisis de proceso en la planta de tratamiento para diagnosticar y proponer soluciones a los prinipales problemas operacionales detectados.

Como primer paso se realizó la caracterización tecnológica del proceso estableciéndose el flujo tecnológico, el diagrama de flujo, la caracterización de los equipos, materia prima y materiales, así como los métodos de control de la calidad, elementos que intervienen en el costo de producción, las variables fundamentales del proceso y su influencia en el mismo.

A partir de un balance de materiales realizado en el clarificador y tomando como reacción fundamental: Ca (HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3 + 2 H2O

Se detectó lo siguiente: C (Ca(HC03)2) (entrada)

= 2.4 mmol / L

C (Ca(HC03)2) (salida)

= 1.8 mmol / L

C (Ca(HC03)2) (que reaccionó)

= 0.24 mmol / L

% de conversión

= 11.7 %

El % de conversión obtenido fue muy bajo ( 12 % ) lo que reflejó la existencia de problemas operacionales o de diseño en el clarificador. A partir de estos resultados se realizó un análisis de las posibles causas que provocaban este problema mediante la técnica del diagrama causa y efecto ( espina de pescado ). A continuación se enumeran dichas posibles causas: 1.

No medición del flujo del agua que se procesa;

2.

No medicion de la dosis de reactivo ( lechada de cal y alúmina );

3.

Deficiente preparación de los reactivos;

4.

Diseño inadecuado del clarificador.

Con relación a la primera causa, no resultó determinante porque en la planta se procesa normalmente 60 m3/h, conociéndose de acuerdo al nivel que se alcance en el clarificador si el flujo tiene este valor. No obstante, se recomendó la instalación de un flujómetro en la entrada de la tubería del agua cruda.

Con respecto a la segunda causa, se consideró que era muy importante para el buen funcionamiento de la planta, por lo que se propusieron dos solucones: •

Instalar flujómetros en los dosificadores de cal y alúmina;

•

Realizar mediciones que permitirán calcular dicho flujos.

Para la determinación de la dosis de cal a utilizar, se tomó como referencia el trabajo realizado por Vázquez y Pellón (1993), en el cual se obtuvo el intervalo de dicha dosis ( 290 a 370 mg/L ). Se probaron varios flujos que garantizaban diferentes dosis, según la abertura de la válvula, determinándose la dureza y el pH a la salida del clarificador. Según los resultados obtenidos, se concluyó que debía utilizarse una abertura de 3 a 3½ vueltas siempre que la densidad de la lechada de cal fuese 1°Be ( 9.91 g/L de Ca(OH)2 ).

Con respecto a la tercera causa se comprobó que era la fundamental porque no se controlaba la densidad de la lechada de cal preparándose con una concentración menor que la indicada, esto provocaba una disminución muy pequeña de la dureza del agua cruda y justificaba la baja conversión obtenida en el clarificador. La solución propuesta fue, garantizar una preparación adecuada de lechada de cal utilizando un densímetro como medio de control cada vez que se prepare la solución, lo cual se dejó establecido a partir de la recomendación realizada.

En la preparación de la alúmina o alúmina y zeolita no se confrontan dificultades.

Aplicando las soluciones propuestas se logró obtener un 83% de conversión en el clarificador.

Con relación a la causa número 4, que se refiere al diseño del clarificador, fue comprobado calculándose sus parámetros fundamentales, tiempo de retención en la zona de mezcla rápida, velocidad de rebose, gradiente de velocidad y dimensiones del equipo, obteniendose valores adecuados.

En la realización del trabajo se detectó otro problema en el funcionamiento del clarificador, ya que el medidor de la altura del colchón de lodo no funcionaba por lo que se producía un aumento de turbiedad del agua clarificada ( > 30 mg/L de SiO2 ), cuando no se hacían con la frecuencia adecuada las extracciones de lodo.

Con relación al uso de la zeolita como ayudante del proceso de coagulación-floculación, se comenzó desde la arrancada del central, el 24 de enero de 1994, en una proporción inicial que garantizaba el ahorro del 30% de la alúmina prevista, posteriormente se hicieron pruebas empleando zeolita solamente, utilizando un flujo de 0.5 L/min. y de 0.75 L/min.. Los resultados en ambos casos fueron buenos, aunque en el segundo caso fueron superiores, la planta trabajó a partir del 14 de marzo de 1994 en estas condiciones, solamente dosificando zeolita con un flujo de 0.75 L/ min..

Al usarse la zeolita se observó tupición en algunas ocasiones en la válvula dosificadora. Para resolver este problema se realizó la propuesta del diseño y la construcción de un nuevo dosificador. Se confeccionó el diseño del equipo y se trabaja actualmente en su instalación y puesta en funcionamiento.

A partir del uso de la zeolita como floculante en el clarificador se realizaron varias pruebas para analizar la turbiedad del agua clarificada y evaluar los resultados. En la tabla 1 se muestran los resultados obtenidos en la prueba realizada el 21 de marzo de 1994.

Tabla 1 Hora 9:00 am 1:00 pm 5:00 pm

Turbiedad del agua clarificada (mg/L de Sílice) 20 30 - 35 10 - 15

Los valores de pH y dureza reportados por el laboratorio fueron adecuados.

Para utilizar la zeolita natural como medio filtrante, se realizó antes de comenzar la zafra ( 1994 ), la sustitución del medio filtrante de antracita por zeolita en el filtro No. 5. Para determinar la distribución por capas en función del tamaño de la zeolita disponible, se realizó una revisión bibliográfica y se tomaron en cuenta los resultados obtenidos a escala de laboratorio y de planta con la zeolita natural como material filtrante ( Herrera, Cubaidis. 1992. ) recomendándose emplear una capa de zeolita gruesa de diámetro de 3-8 mm de un espesor 44 cm en el fondo y una capa fina de 66 cm y de diámetro de 1-3 mm para una altura total de 1.1 m y un 45% de expansión del lecho en el contralavado. Del análisis granulométrico realizado, se obtuvo que el diámetro efectivo es de 1.2 mm y el coeficiente de uniformidad es de 1.35. Estos valores se encuentran en los intervalos recomendados por los diferentes especialistas.

Para evaluar el funcionamiento del filtro de zeolita y compararlos con los de antracita, se realizaron diferentes corridas en las cuales se midió la turbiedad de entrada y la de salida de ambos filtros, el que contenía zeolita y el filtro No. 4 relleno con antracita.

En todas las pruebas efectuadas, se observó que la zeolita logra una adecuada remoción de la turbiedad durante un tiempo mayor que la antracita requiriéndose lavar los filtros de antracita de 1 a 2 veces más que el de zeolita. En la tabla 2 se muestran los resultados obtenidos en una de estas pruebas.

Hora 9:00 1:00 9:00 8:00

am pm pm am

Tabla 2 Fecha: del 3 / 2 / 94 al 4 / 2 / 94 Turbiedad ( mg/L de sílice ) Entrada Salida del filtro de Zeolita 55-60 4 15 4 55 1.5 65 40

Salida del filtro de antracita 20 20 200 100

El contralavado de los filtros se efectuó siempre por aumento de la turbiedad a la salida de los equipos y no por aumento de las pérdidas de presión, manteniéndose las mismas en valores máximos entre 4 y 6 m de H2O, aunque en el caso del filtro de zeolita se corresponde el aumento de la turbiedad a la salida del filtro con la mayor pérdida de carga en el filtro.

A partir de las pruebas realizadas se chequeó de manera visual la turbiedad del agua a la salida de los filtros tanto de zeolita como de antracita, comprobándose siempre que la turbiedad a la salida del filtro de zeolita es menor. En el mantenimiento realizado a los equipos al finalizar la zafra de 1994, no hubo que reponer material filtrante en el filtro de zeolita, el cual estuvo en funcionamiento durante toda esa etapa.

El % de conversión tan bajo en el clarificador y los valores de turbiedad tan elevados a la salida de los filtros de antracita ( > 15 ) provocaron otro problema importante en el funcionamieto de los lechos catiónicos, los cuales se agotaban muy rápido, debido a que no se eliminaba toda la dureza permisible en el clarificador y además, al tener el agua filtrada una turbiedad elevada, los lechos catiónicos funcionaban como filtros mecánicos depositándose los sólidos en suspensión en la capa de resina, recubriéndose las mismas de éstos sólidos y perdiendo de manera transitoria o definitiva ( en algunos casos ) su capacidad de intercambio, lo cual fue comprobado en desarrollo experimental del trabajo, ya que en varias ocasiones sólamente con un contralavado a la resina catiónica sin necesidad de regenerar, se logró ponerlas de nuevo en funcionamiento.

En la zafra actual a partir de los resultados obtenidos en el año anterior, se utilizó zeolita natural como material filtrante en 4 de los 5 filtros mecánicos, no confrontándose dificultad en el funcionamiento de los mismos, manteniendose el contralavado cada 24 horas.

CONCLUSIONES •

Han quedado establecidas las condiciones de operación y control requeridas para el adecuado funcionamiento de la planta de tratamiento de agua, mediante la aplicación de las técnicas de análisis de proceso a la misma.

•

Se utilizó la zeolita natural en el proceso de coagulación-floculación, lográndose un ahorro de hasta el 100% de sulfato de aluminio, requiriéndose para ello el diseño y la construcción de un dosificador.

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Se utilizó la zeolita natural como material filtrante en 4 de los 5 filtros mecánicos, quedando comprobadas las propiedades de dicho mineral en el proceso de filtración y la disminución en el volumen de agua de contralavado ( de 1 a 2 veces menos que los de antracita ).

REFERENCIAS •

[Aguirre y Cabrera, 1994] Aguirre, M, y Cabrera, J. (1994). Características físico-químicas y mecánicas de diferentes zeolitas. Trabajo de Diploma.

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[Herrera, 1992] Herrera, T. (1992). Utilización de las zeolitas naturales cubanas en la filtración de agua para la industria y consumo humano. XXII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Habana, Cuba.

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[Herrera, 1994] Herrera, T. (1994). Utilización de las zeolitas naturales cubanas en la filtración de agua para la industria y consumo humano. IX Fórum Nacional de Ciencia y Técnica. Habana, Cuba.

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[Laria y Oropesa, 1991] Laria, C.N. y Oropesa, J. (1991). Estudio del proceso de coagulación de las aguas de presa con sulfato de aluminio y zeolita natural. Revista Ingeniería Hidráulica. Cuba. Vol XIII 3 (41-52).

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[Oropesa y Márquez, 1992] Oropesa, I. y Márquez, E. (1992). Uso de la zeolita natural como floculante en la potabilización de las aguas superficiales. XXII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental. Habana, Cuba.

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[Rudenko, 1983] Rudenko, G. (1983). Filtro de zeolita para el tratamiento de agua con alta turbiedad. Jimia I Tejnolgia Vodi V. 1 (54-59).

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[Tarasevich, 1989] Tarasevich, V. (1989). Tratamiento de agua potable usando filtros de zeolita. Jimia I Tejnolgia Vodi II. 4 (305-310).

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[Vázquez y Pellón, 1993] Vazquez, M. y Pellón, A. (1993). Estudio del proceso con cal y alúmina en el C.A.I. Manuel Martínez Prieto. Trabajo de diploma.