Título: “Evaluación de la operación de adsorción en ...
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Facultad de Química-Farmacia. Departamento de Ingeniería Química. Título: “Evaluación de la operación de adsorción en continuo, de Níquel (II) utilizando Bagazo de caña de azúcar natural” Autor: Raciel Rodríguez Castellanos Tutor: Mrc. Inés Alomás Vicente Dra. Yeslié González Bermúdez Consultante: Dr.Ivan Rodríguez Rico “Año del 50 Aniversario de la Revolución” Santa Clara, 2009
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Título: “Evaluación de la operación de adsorción en continuo, de Níquel
(II) utilizando Bagazo de caña de azúcar natural”
Autor: Raciel Rodríguez Castellanos
Tutor: Mrc. Inés Alomás Vicente Dra. Yeslié González Bermúdez Consultante: Dr.Ivan Rodríguez Rico
“Año del 50 Aniversario de la Revolución”
Santa Clara, 2009
PENSAMIENTO
….. En la ciencia no hay calzadas reales, y quién pretenda ascender a
sus luminosas cumbres, tendrá que hacerlo a través de senderos
escabrosos.
Karl Marx.
DEDICATORIA
Dedico esta tesis con todo el amor que merecen
A mis padres y Familiares, por el infinito amor que me brindan, por
tantos desvelos, por todos los sacrificios, y porque los amo.
A mi novia, con mucho amor por su sonrisa de cada día e inagotable
fuente de amor, por estos maravillosos tiempos juntos apoyándome y por
su enorme comprensión.
A Fidel y nuestra revolución.
Agradecimientos
A mis padres y Hermanos por su apoyo, cariño y constante preocupación hacia mí
durante todos estos años, facilitando así que hoy se haga realidad este sueño.
A mi novia por su apoyo incondicional, espiritual y físicamente en todo momento de
este trabajo y su familia que tanto apoyo me han dado en todo este tiempo.
A mis tutores Dr. Iván Rodríguez Rico, Mrc. Inés Alomás Vicente, Dra. Yeslié
Gonzáles Bermúdez por brindarme todo el tiempo y el apoyo necesario en la
realización de este trabajo.
A los compañeros Mercedes, Ángel, Pastora, Aleyda y todos los que en el CQA
hicieron posible que este trabajo se realizara.
A toda mi familia Osvaldo, Elena, Maricela, Carmen, mis primas, Osvel, Marelis y
a mí abuela María, en fin a todos que siempre estuvieron pendiente de mí en todo
este tiempo.
Al compañero Mollineda que tanto me ayudó y me apoyó en los momentos más
difíciles, en los análisis de laboratorio.
A mis compañeros de aula Luís, Daniel, Heydi, Alexey, Yiliam, Yanet, Yalaina y los
extranjeros.
Los agradecimientos son muchos; pero el espacio es poco, cuanto quisiera poder
poner en esta página a todas las personas que me estiman, me quieren, que hasta
sienten suyo este logro. Por lo mucho que los aprecio, les brindo mi más sincero
agradecimiento.
Resumen
Resumen:
En el presente trabajo se aborda el impacto ambiental que ocasionan los
vertimientos de residuales industriales con presencia de concentraciones elevadas
de Níquel que tiene alta toxicidad para los seres humanos, lo que causa
afectaciones a la cadena trófica. Se desarrolló un proceso de adsorción a escala
de laboratorio utilizando como adsorbente bagazo de caña de azúcar natural y del
efecto que ejerce el paso a través de columnas con arreglo en serie de soluciones
con contenido de Níquel, se propone realizar el escalado a planta piloto de la
alternativa objeto de estudio considerando los elevados niveles de remoción de la
propuesta, la fácil adquisición y bajo costo del biosorbente que se propone como
relleno de la cama de las columnas.
Abstract
Abstract:
This work is about of environmental impact caused by the factories’ spilled waste water
with high content of heavy metals, highly toxic for the human and resistant beings to the
degradation. It was developed a biosorption process at laboratory level using nature cane
sugar bagasse as biosorbent and the effect had produced by the Nickel solution; and it
intends to be carried out the scale up to pilot plant, to consider the high removal levels, the
abundance and the cheap of the biosorbent that it intends to use.
Indice
Índice
Introducción 1Capítulo I. Revisión Bibliográfica. 41.1. Contaminación ambiental por metales pesados. 41.2. Impacto del Níquel a los seres vivos. 41.3. Tratamientos convencionales para eliminación de metales pesados en efluentes industriales.
5
1.3.1. Precipitación química. 5 1.3.2. Electrodiálisis. 5 1.3.3. Ósmosis inversa. 5 1.3.4. Intercambio Iónico. 6 1.3.5. Adsorción. 6 1.3.5.1. Tipos de adsorción. 6 1.3.6. Biosorción. 71.4. Ejemplos de biomasas utilizadas como material biosorbente. 71.5. Estudios en continuo. 81.6. Diseño de columnas de adsorción por el método de la LUB de equilibrio. 101.7. Criterios de escalado. 13 1.7.1. Procedimiento a seguir. 141.8. Conclusiones parciales. 16Capítulo II. Montaje a escala de laboratorio de un sistema de columnas con bagazo de caña de azúcar.
18
2.1- Montaje experimental. 18 2.1.1. Preparación del biosorbente. 18 2.1.2. Preparación de las soluciones. 19 2.1.3. Estudio de la influencia del pH en el proceso de biosorción en continuo. 19 2.1.4. Estudios en continuo. 21 2.1.4.1. Pruebas hidráulicas y selección de los parámetros de operación 22 2.1.4.2. Cuantificación de las muestras. 232.2 Metodología. 24 2.2.1. Preparación de las soluciones. 24 2.2.2. Cálculo de la superficie de lecho no utilizada. 25 2.2.3. Cálculo de la capacidad de adsorción del lecho. 27 2.2.4. Porciento total de remoción de metal pesado durante la operación de la columna.
28
Indice
2.2.5. Cálculo de la capacidad de adsorción y de la concentración de equilibrio en el lecho.
28
2.3. Criterios de escalado. 2.3.1. Metodología para el escalado de torres de adsorción.
2929
2.4. Conclusiones Parciales. 29Capitulo III. Análisis y discusión de los resultados. 313.1. Estudios de biosorción en columna. 31 3.1.1. Pruebas hidráulicas. 31 3.1.2. Cálculo de los parámetros que definen el comportamiento del tratamiento en continuo.
31
3.2. Modelo de Adams Bohart. 323.3. Cálculo de los parámetros de la columna a escala de planta piloto. 34 3.3.1. Cálculo de la altura de la cama del prototipo. 34 3.3.2. Cálculos de la Caída de Presión 35 3.3.3. Cálculo de la masa de bagazo que se necesita en la planta piloto. 363.4. Análisis económico preliminar. 37 3.4.1. Cálculo de la inversión. 383.5. Conclusiones Parciales. 40Conclusiones 41Recomendaciones 42Bibliografía 43Anexos
Introducción
1
Introducción:
El desarrollo de tecnologías más limpias en la industria, ha sido consecuencia de
una disminución de las descargas de sustancias contaminantes al medioambiente,
pero se conoce que esta problemática aun persiste en diferentes sectores
industriales que vierten metales pesados.
Cuidar el medio ambiente es un problema de gran importancia en la actualidad; las
aguas residuales con la aceleración del desarrollo científico-técnico, se han ido
depositando, en grandes cantidades en el cuerpo receptor de esos efluentes,
corriendo el riesgo de romper el equilibrio hombre-naturaleza.
Entre los causantes de la contaminación encontramos las industrias químicas, entre
ellas las tenerías, industrias galvánicas, peleteras, metalúrgicas donde se han
realizado estudios con el objetivo de encontrar una alternativa válida para resolver el
problema del impacto ambiental.
La presencia de metales pesados en las aguas crea serios problemas, dado por sus
efectos tóxicos sobre la integridad de la biota. Por lo que se han implementado
técnicas para su eliminación.
En la búsqueda de soluciones tecnológicas que propicien la descontaminación de
dichos residuales, la biosorción ha sido especialmente considerada por resultar
una vía ecológicamente sostenible y económicamente sustentable. A nivel mundial
se realizan estudios del comportamiento de diferentes biosorbentes en el
tratamiento a residuales, tales como: cáñamo, hojas de cortezas de pino, cáscara
de arroz, pastos como la alfalfa, cáscara de coco, cáscara de avellana, rastrojo de
maíz, [Cano-Rodríguez. I, 2002]; [Dokken. K, 1999] son reportados en estudios de
laboratorio ya realizados, de ahí que se dirija la atención en este trabajo al estudio
del bagazo de caña, como biosorbente de metales pesados.
Introducción
2
Hipótesis.
Los estudios de laboratorio y el escalado a nivel de planta piloto, para la biosorción
de metales pesados empleando columnas rellenas con arreglos en serie,
utilizando como adsorbente bagazo de caña de azúcar puede constituir una
alternativa para reducir la emisión de contaminantes que se produce por
residuales industriales.
Objetivo General.
Evaluar a escala de laboratorio la remoción de la especie metálica Níquel (II)
utilizando columnas rellenas con bagazo de caña de azúcar natural y proponer el
escalado a nivel de planta piloto.
Objetivos específicos.
• Evaluar la remoción de níquel en soluciones acuosas usando columnas
rellenas con bagazo de caña de azúcar natural.
• Determinar la onda de adsorción del Níquel (II) y los parámetros de
operación.
• Diseñar un sistema de remoción para estos metales con análisis técnicos,
económicos y ambientales de las propuestas.
• Escalar a nivel de planta piloto el sistema seleccionado.
Introducción
3
Tareas experimentales:
• Ajuste de los flujos de trabajo en las columnas, preparar las soluciones de
Ni, a las concentraciones iniciales y pH experimentados con una sola
columna.
• Para un arreglo de 2 columnas en serie, calcular los % de remoción de los
metal estudiado entre columnas y al final de las mismas
• Diseño tecnológico y escalado a nivel de planta piloto del sistema de
remoción de metal pesado para la alternativa seleccionada.
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
4
Revisión Bibliográfica
1.1. Contaminación ambiental por metales pesados.
La descarga a cuerpos de agua de los efluentes generados como consecuencia
de la actividad industrial, que contienen metales tóxicos, entre otras especies
contaminantes, constituye un grave problema que afecta la calidad del agua. Con
el propósito de asegurar la integridad de los ecosistemas acuáticos y proteger los
recursos hídricos, las restricciones referidas al vertimiento de efluentes resultan
cada vez más estrictas, lo que implica la búsqueda de soluciones tecnológicas,
eficientes y económicas, que posibiliten el cumplimiento de las normas de
vertimiento establecidas. En los últimos años, se han realizado considerables
esfuerzos para el desarrollo de tecnologías de biosorción, por su alto impacto
para el tratamiento de aguas contaminadas en gran escala (Vicente, 2007).
1.2. Impacto del Níquel a los seres vivos.
Algunas personas sensibles al níquel pueden desarrollar dermatitis en la piel
lejos del área de contacto; el eczema de la mano es relativamente común en
personas sensibles a este metal.
Trabajadores expuestos al níquel mediante inhalación pueden volverse sensibles y
padecer crisis de asma, lo que es poco frecuente. Algunas personas sensibles al
níquel reaccionan cuando consumen níquel en los alimentos o el agua, o respiran
polvo que contiene níquel. La sensibilidad al níquel es más común en mujeres que
en hombres, lo que se atribuye a la mayor exposición al níquel a través de joyas y
otros artículos metálicos por parte de las mujeres.
Otros de los efectos perjudiciales a la salud por exposición al Níquel lo constituyen
la bronquitis crónica, disminución de la función pulmonar, cáncer de pulmón y los
senos nasales, frecuente en personas que han inhalado polvo que contenía
compuestos de níquel en el trabajo en refinerías de níquel o en plantas de
procesamiento de níquel (Granda, 2006). (Anexo 1)
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
5
1.3. Tratamientos convencionales para eliminación de metales pesados en efluentes industriales.
Teniendo en cuenta los efectos que tienen los metales pesados, constituye una
necesidad su eliminación de los diversos efluentes. Las industrias se ven
obligadas a reducir la cantidad y la peligrosidad de sus vertidos al medio ambiente,
para dar cumplimiento a las normas medioambientales vigentes (Tenorio, 2006).
1.3.1. Precipitación química.
Es uno de los métodos de tratamientos de aguas ácidas más aplicado en la
actualidad, consiste en su neutralización con caliza, cal o soda cáustica, con lo
que se consigue precipitar los metales disueltos en forma de hidróxidos. Puede
utilizarse floculantes poliméricos para acelerar la sedimentación de los
precipitados.
1.3.2. Electrodiálisis.
El tratamiento consiste en aplicar corriente directa a través de un cuerpo de agua
separado en capas verticales por membranas altamente permeables a cationes y
aniones. Los iones relativamente pequeños pasan rápidamente a través de las
membranas, pero iones orgánicos grandes y las partículas coloidales migran a las
superficies de las membranas, ensuciándolas u obstruyéndolas y reducen su
eficiencia. Los resultados de planta piloto indican que la electrodiálisis es un
método práctico, que puede remover hasta 50% de los compuestos inorgánicos
disueltos desde efluentes provenientes de tratamientos secundarios, si se eliminan
aquellas sustancias de mayores tamaños y/o coloidales (Vidalón, 2002).
1.3.3. Ósmosis inversa.
Es un proceso que se realiza haciendo pasar el agua a través de una membrana
porosa desde el lado del efluente contaminado hacia el agua limpia, mediante la
aplicación de una presión. Esta técnica requiere de un pretratamiento para evitar
que se obstruyan los poros de la membrana. El costo de operación es alto.
Este proceso depende de la adsorción preferencial de agua sobre la superficie de
la membrana, la cual está compuesta, generalmente, por acetato de celulosa. El
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
6
agua pura de la capa adsorbida es forzada bajo presión a través de los poros en la
membrana(Arriagada et al., 1990).
1.3.4. Intercambio Iónico.
Los iones metálicos son removidos mediante intercambio iónico con los iones no
tóxicos de una resina, tales como H+ y Na+. Esta es una tecnología muy conocida
y que ha demostrado su efectividad, pero requiere de alta inversión.
1.3.5. Adsorción.
La adsorción es un proceso de separación, en el que algunos de los componentes
presentes en una mezcla gaseosa o líquida son selectivamente transferidos a la
superficie de un sólido. La sustancia en cuya superficie se produce la adsorción se
llama adsorbente, y la sustancia extraída de la mezcla gaseosa o líquida se llama
adsorbato.
1.3.5.1. Tipos de adsorción.
La operación de adsorción depende de su reversibilidad para recuperar el
adsorbente y de la recuperación de la sustancia adsorbida, pues el objetivo es la
separación de la mezcla, por lo tanto, si la adsorción se va a utilizar como un
proceso de separación, se trata de adsorción física, para que el proceso sea
reversible. La adsorción física, o adsorción de Van der Waals resulta de las
fuerzas secundarias de atracción (dipolo-dipolo y dipolos inducidos) entre las
moléculas del sólido y la sustancia adsorbida, y es similar en naturaleza a la
condensación de moléculas de vapor en un líquido de la misma composición.
Cuando las fuerzas son enlaces covalentes se aplica el término de adsorción
química o quimisorción, la cual es difícil de revertir y generalmente tiene lugar con
mayor lentitud que en la adsorción física.
La quimisorción no puede, por sí misma, dar lugar a una capa de más de una
molécula de espesor, debido a la especificidad del enlace entre el adsorbente y el
adsorbato. Sin embargo, cabe que capas subsiguientes de varias moléculas
puedan estar físicamente adsorbidas sobre la primera capa.
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
7
La principal diferencia entre la adsorción física y la del tipo químico es la
naturaleza del enlace que se forma entre la molécula adsorbida y la superficie del
adsorbente. La adsorción química se caracteriza por una compartición de
electrones entre el adsorbente y el adsorbato que da por resultado la liberación de
una cantidad de calor que es igual al calor de reacción. A causa de la compartición
de electrones con la superficie, los materiales químicamente adsorbidos se
restringen a la formación de una monocapa.
1.3.6. Biosorción.
La “biosorción”, se refiere a la captación de metales que lleva a cabo una biomasa
completa (viva o muerta), a través de mecanismos físico-químicos como la
adsorción o el intercambio iónico. Cuando se utiliza biomasa viva, los mecanismos
metabólicos de captación también pueden contribuir en el proceso (Cañizares
Villanueva, 2000).
1.4. Ejemplos de biomasas utilizadas como material biosorbente.
(Basso and Cukierman, 2004) examinaron la de emplear palos de yerba mate y
cáscaras de semilla de Mirabilis Jalapa con el fin de remover iones Cd (II) a partir
de soluciones acuosas diluidas utilizadas como modelo de aguas contaminadas
con bajas concentraciones de metales. Se encontró que las cáscaras de semilla
resultan más eficientes que los palos de yerba en todo el rango de dosis y de
concentraciones evaluadas.
(Teixeira Tarley and Zezzi Arruda, 2004) refieren el uso de la cáscara de arroz con
una excelente alternativa en la remoción de especies químicas como el Cd (II) y
Pb (II) provenientes de efluentes. La caracterización física de este material señala
la presencia de grupos funcionales como el carboxilato y el silanol, que hacen
posibles el proceso de adsorción en la morfología del material.
La patente cubana "Procedimiento de depuración de iones metálicos de aguas
residuales", refiere el uso de carbón activado obtenido a partir de meollo de caña
de azúcar para depurar aguas residuales contaminadas con cromo hasta
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
8
concentraciones de 1 ppm con tiempos de contacto hasta de 1 hora y
temperaturas de 10 a 40 oC.
Esta patente refiere a otras patentes que tratan el uso de adsorbente naturales
modificados de formas diferentes para mejorar sus propiedades adsorbentes. A
continuación nos referimos a estos (Patente cubana, 1987), (Patente cubana,
1996).
(Rasul Malika and Moosa Hasanyb, 2005) estudiaron el uso del tallo de girasol,
con previo tratamiento químico, como material adsorbente para remover Cr3+
alcanzándose hasta un 85% de remoción.
(Pérez Marín, 1983) ejemplificó la extracción de Indio y otros metales, con un
porciento de remoción del 90%, utilizando meollo de caña de azúcar tratado como
biosorbente.
La disponibilidad y el bajo costo del bagazo de caña en Cuba, permite utilizarlo
como biosorbente de metales pesados, pues las experimentaciones realizadas
arrojaron como resultado la elevada capacidad como biosorbente previa
activación con ácido sulfúrico 0.5 N con un consecuente proceso tecnológico
concebido para estos efectos (Rodríguez Rico, 2003)
1.5. Estudios en continuo.
La mayor parte de los estudios sobre biosorción que reporta la bibliografía se han
realizado en sistemas que trabajan en discontinuo, aunque desde un punto de
vista práctico, los procesos de biosorción a gran escala se llevan a cabo de un
modo continuo, generalmente en columnas de lecho fijo (Vijayaraghavan and
Prabu, 2006).
En estos sistemas, la concentración en la fase líquida y en la fase sólida varía
tanto en el espacio como en el tiempo, por lo que el diseño y optimización de
columnas de lecho fijo tiene especial dificultad si no se cuenta con un modelo de
aproximación cuantitativo. En este sentido, el comportamiento dinámico de una
columna de lecho fijo es descrito en términos de perfil “concentración de efluente-
tiempo”, es decir, lo que se conoce como curva de ruptura (Rodríguez Rico, 2003).
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
9
Una curva de ruptura típica es la que se muestra en la Figura: 1.1 y representa la
relación entre las concentraciones de contaminante a la salida y a la entrada de la
columna frente al tiempo o al volumen circulado. La zona de transferencia de
materia es la superficie del lecho en la que ocurre la sorción. El fluido entra en la
columna y circula a través de un lecho que no contiene soluto de forma que,
cuando entra en contacto con el sorbente, el soluto es rápidamente retenido
durante el primer contacto. Este fluido abandona la columna prácticamente libre de
iones metálicos. Cuando el volumen de fluido comienza a atravesar la columna,
empieza a definirse una zona de transferencia de materia que varía desde el 0%
de la concentración inicial (correspondiente al sorbente sin soluto) hasta el 100%
de la concentración inicial (correspondiente a la saturación total). De esta forma,
cuando el metal ya no puede ser retenido completamente, comienza a aparecer en
el fluido que abandona la columna. En el momento en que la concentración de
metal en el efluente alcanza un determinado valor, generalmente relacionado con
el límite de vertido permitido para ese metal, se llega al llamado punto de ruptura y
se corresponde con un tiempo llamado tiempo de servicio o de ruptura, tr, que
permite determinar el volumen de efluente tratado. A partir de este punto, la
representación muestra la evolución de la concentración durante el tiempo de
funcionamiento de la columna, lo que se corresponde con la llamada curva de
ruptura.
Desde un punto de vista práctico, el tiempo al que ocurre la saturación, ts, se
establece cuando la concentración en el efluente es superior a un valor
comprendido entre el 90% y el 95% de la concentración inicial.
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
10
Figura: 1.1 Onda de adsorción.
1.6. Diseño de columnas de adsorción por el método de la LUB de equilibrio.
Un procedimiento que se aplica con amplitud en el diseño de columnas
adsorbedoras es el descrito como método de concepto LUB/ equilibrio. En este
método, el adsorbedor de lecho relleno se visualiza como compuesto por dos
secciones, la sección de equilibrio y la sección LUB (longitud del lecho no
utilizada). El tamaño de la sección se encuentra a partir de los datos de adsorción
de equilibrio a la temperatura de diseño del lecho. La longitud de la sección de
equilibrio representa la longitud del lecho más corta posible y se puede describir
como la longitud estequeométrica, dado que el adsorbente en la sección de
equilibrio del lecho se supone que se encuentra en equilibrio con el adsorbato en
el fluido. El frente de onda estequeométrico se mueve a través del lecho como una
función escalón (Treybal, 1980).
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
11
El concepto de equilibrio no proporciona una estimación precisa de la longitud del
lecho, ya que no se conoce la longitud de la zona de transferencia de masa. A
causa de la presencia de dicha zona, todo el adsorbente detrás del frente de onda
real no se encuentra a su máxima capacidad. Por lo tanto, se tiene que agregar
una cantidad adicional de adsorbente al lecho para compensar la presencia de la
zona de transferencia de masa. Esta cantidad equivalente de adsorbente se
conoce como el LUB. El frente de onda estequeométrico relativo al frente de onda
estable real se muestra en la figura 1.1. En esta figura tb se define como el tiempo
que tarda en salir el extremo inicial de la curva de avance del lecho, tc es el tiempo
en el que el extremo del frente de onda sale del lecho y ts es el tiempo en que
saldría del lecho el frente de onda estequeométrico. El frente estequeométrico se
halla igualando la capacidad del lecho no ocupada detrás del frente con la
capacidad usada delante del frente. A partir de la figura 1.1 se encuentra el tiempo
estequeométrico ajustando ts hasta que las áreas indicadas por A y B sean
iguales. El avance inicial del frente de onda real relativo al frente estequeométrico
es:
SLLLUB −= 0 (Ec. 1.1)
Donde:
Lo: es la longitud del lecho total.
Ls: es la distancia del frente estequiométrico que se ha movido a través del lecho.
Las suposiciones importantes en las cuales se basa el concepto de la sección de
LUB/equilibrio, son las siguientes:
La retención del componente absorbible en los vacíos del absorbente es pequeña
comparada con la carga de adsorbato de equilibrio.
El régimen de flujo, temperatura y concentración de la alimentación son
constantes.
La temperatura, composición y velocidad no varían en la dirección radial.
La temperatura del lecho y la carga del adsorbato inicial son uniformes.
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
12
)
Las temperaturas iniciales del lecho y de la alimentación son iguales.
No se presentan reacciones químicas y la operación es isotérmica.
La zona de transferencia de masa es estable.
A cualquier tiempo, la longitud de la sección de equilibrio es
tuLs'= (Ec. 1.2)
Donde u' es la velocidad del frente de onda de transferencia de masa
Para el tiempo tb, se tiene:
bS tuL '= (Ec.1.3)
En tb, el frente estequeométrico todavía no se ha movido a través de la longitud
completa del lecho. En tS, la longitud del frente de onda estequeométrica saldrá
del lecho y 0LL S =
Por lo que
0' LtuL SS == (Ec.1.4)
A partir de la ecuación (Ec.1.3)
( bSS ttuLLLUB −=−= '0 (Ec.1.5)
y como , se tiene: SS tuLL '0 ==
StLu 0' =
(Ec.1.6)
Por lo tanto la longitud de lecho no usada es:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −=
S
bS
tttLLUB 0
(Ec.1.7)
y la velocidad del frente de onda estequeométrico se obtiene de un balance de
masa a través de la sección de equilibrio, el resultado es:
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
13
( )( )
0
0'
AAb
AAAZ
b
S
qqMCCU
tLu inic
−
−== ∞
∗
ρε
(Ec.1.8)
siendo:
∞Aq =la capacidad de saturación del adsorbente M de soluto/M de sólido.
0Aq = concentración inicial de soluto en el adsorbente M soluto/M de sólido.
0AC = concentración del soluto a la entrada, en g mol/cm3
∗
inicAC
∝ = concentración de soluto en equilibrio con 0Aq
MA = peso molecular del adsorbato
1.7. Criterios de escalado.
Para aplicar el escalado a nivel de planta piloto se emplea la metodología
propuesta por (Curbelo, 1997), la cual se basa en tomar en consideración los
parámetros de operación del modelo, en función de las mejores condiciones a la
cual opera el mismo.
La metodología plantea que tanto para el modelo como para el prototipo se deben
cumplir los siguientes principios:
Existirá similitud geométrica.
Existirá similitud térmica, pues el rango de temperatura de trabajo no varía.
Las propiedades físicas del fluido se mantienen constantes para garantizar el
régimen de transferencia de masa, existiendo similitud cinemática.
Existirá similitud dinámica, dado que el Reynold es constante.
El régimen de transferencia de masa se mantiene constante.
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
14
Donde:
L Modelo Experimental (a nivel de laboratorio).
P Modelo a escala de planta piloto.
e Porosidad.
D Difusividad del cromo. ρ Densidad del cromo. μ Viscosidad.
Q Flujo de la solución.
A Área de la columna.
oυ Velocidad del fluido a través de la cama.
K Coeficiente de transferencia de masa.
H Altura de la cama.
D Diámetro de la columna.
Re Número de Reynold.
PΔ Caída de presión. ψ Esfericidad o factor de forma.
1.7.1. Procedimiento a seguir:
El modelo a escala de laboratorio y planta piloto serán iguales geométricamente,
por lo que la relación c
L
dH
es constante e igual en cada sistema, cumpliéndose
que:
dcmdcp
mHpH
L
L = . (Ec.1.9)
Las propiedades físicas del fluido no varían pues es el mismo en el laboratorio
como en el escalado a planta piloto, por tanto;
p
m
m
p
μμ
ρρ
= . (Ec.1.10)
El rango de temperatura no varía, por lo que se considera similitud térmica.
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
15
En operaciones de adsorción, absorción o reacciones catalíticas en lecho fijo o
fluidizado, el escalado se efectúa sin variar el tipo de partícula, por lo que la
naturaleza, dimensiones y porosidad se mantiene en ambos sistemas, por lo que
se cumple que:
Rem = Rep = constante.
(Re1ReRe
==mp ) Relación de parámetro entre el modelo y el prototipo. (Ec.1.11)
Al considerar los sistemas homólogos son semejantes geométrica y térmicamente,
se cumple que:
== pm oo υυ constante
( ) 1== oo
o
mp
υυυ
Relación de parámetro entre el modelo y el prototipo (Ec.1.12)
Significa que manteniéndose constante las dimensiones entre el modelo del
laboratorio y el de la planta piloto así como las propiedades del fluido que circula a
través de la columna y el tipo de partícula que se emplee como adsorbente, la
velocidad superficial tiene que ser la misma para ambos sistemas. [Treybal, 1980].
Observe como influye esto en la ecuación de escala escogida:
( ) 16.05.0
*
**1*9.10
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡−=
μρ fff
pfap
D
SFdp
DSd
eFk (Ec.1.13)
Como oSF μ= Luego sustituyendo en la ecuación siguiente:
( ) 16.05.0 **
19.10⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−=
μρ
υυ ff
o
fofap
Ddp
Ddp
ek (Ec.1.14)
fapk es función de 5.0o
oυ
υ y como 1=oυ entonces ( ) Relación de
parámetro entre el modelo y el prototipo, significa que el prototipo será igual al
1=fapk
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
16
modelo en lo referente a transferencia de masa, siempre y cuando en esos
sistemas sea igual la velocidad superficial ( )oυ .
Caída de presión:
Si se selecciona el primer término de la ecuación de Ergun:
( )223
2
**
*1150dpe
eH
P o
L ψυμ−
=Δ (Ec.1.15)
Manteniendo constante μψ ,, dp y e se llega a la siguiente relación:
LHPΔ es función de oυ
Lo que implica que el valor de caída de presión por unidad de longitud o altura del
lecho, depende sólo de que se mantenga la misma velocidad de fluido, o lo que es
lo mismo:
PΔ sea función de *LH oυ y como 1=oυ entonces PΔ solo depende de . LH
pHPp
mHPm
LL
Δ=
Δ (Relación de Escala) (Ec.1.16)
Desarrollando el procedimiento y conociendo los datos del modelo, se pueden
obtener los resultados para el prototipo.
1.8. Conclusiones parciales.
• El vertimiento de metales pesados como el níquel a cuerpos de aguas
próximos a las Industrias que lo generan provocan afectaciones al medio
ambiente, a los organismos vivos causando lesión cutánea-mucosa,
enfermedades respiratorias agudas, enfermedades digestivas y cáncer.
• La operación de adsorción constituye una tecnología apropiada para
eliminación de elementos contaminantes de las aguas residuales industriales, y
algunos de los adsorbentes como el carbón activado pueden regenerarse
mediante tratamiento térmico.
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
17
• Los procesos de biosorción para la eliminación de metales pesados
contenidos en residuales líquidos a bajas concentraciones tiene el potencial
para hacerlo de forma económicamente sustentable.
• El escalado, desde laboratorio a nivel de planta piloto de sistemas de
adsorción, requiere de información del laboratorio acerca del sistema a escalar.
Capítulo: I Revisión Bibliográfica
18
Capítulo II
18
Capitulo II. Montaje a escala de laboratorio de un sistema de columnas con
bagazo de caña de azúcar.
En búsqueda de alternativas económicamente sustentable y ecológicamente
sostenible para el proceso de remoción de metales pesados, en residuales
líquidos, se procede a evaluar la adsorción de Níquel (II) en presencia de
bagazo caña de azúcar sin modificar como biosorbente, en un sistema de dos
columnas en continuo.
2.1- Montaje experimental.
2.1.1. Preparación del biosorbente.
Se emplearon muestras de bagazo provenientes del Central Azucarero ubicado
en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, Santa Clara. El material
se sometió a proceso de molido, mediante un molino de rotor de 6 paletas
Modelo SR-2 Marca Restsh (Alemania), con velocidad de rotación de 1500 rpm,
y posterior tamizado, utilizando una tamizadora Modelo MLW con un conjunto de
tamices (SerieTyler) hasta diámetro comprendido de 1 – 0,5 mm.
La Figura 2.1 corresponde a una muestra de bagazo natural la cual fue
sometida a proceso de reducción de tamaño de partícula con el propósito
de mejorarle su capacidad adsortiva.
Capítulo II
19
Figura 2.1- Muestra de bagazo natural.
2.1.2. Preparación de las soluciones.
Para realizar los experimentos, se preparó 5 L de solución de Cloruro de
Níquel(II) a 21 ppm, utilizando Cloruro de Níquel [NiCl2] (p.a.) de Baker y agua
destilada; para ajustar el pH inicial de la disolución a un valor de 4 se utilizaron
cantidades adecuadas de disolución de HCl 0,1 M.
A continuación, se describen las condiciones de operación adoptadas en el
experimento.
2.1.3. Influencia del pH en el proceso de biosorción en continuo.
Tomando en consideración la Figura 2.2. representativa de los diagramas de
especiación del Níquel, a valores de pH inferiores a 6, la especie metálica Ni(II)
se encuentra disuelta en la solución, a medida que se incrementa el valor de pH,
la concentración del metal en disolución disminuye, debido a que precipita en
forma de hidróxido (Puigdomenech, 1998).
Capítulo II
20
Figura 2.2. Diagrama de especiación de Ni (II) en función del pH
(Alomá, 2006) refiere que al aplicar el método de deriva de pH al bagazo sin
modificar químicamente, el punto de carga cero del biosorbente objeto de
análisis se alcanza a un valor de pH de 5,5; según se muestra en la Figura 2.3;
por lo que se considera que el proceso se realice a pH= 4. Se han realizado
estudios en discontinuo que han demostrado lo anteriormente dicho, haciendo
estudios a diferentes valores de pH, por (Alomá, 2006) lo que permitió escoger
las condiciones de trabajo.
Capítulo II
21
Figura 2.3. Determinación del pH del Punto de Carga Cero (pH pcc) al biosorbente a
través del método de deriva de pH, con tamaño de partícula:1 - 0,5mm (Alomá, 2006)
2.1.4. Estudios en continuo.
Para la realización de los experimentos de biosorción de Níquel (II) en continuo,
se realizó el montaje de la instalación experimental que se describe en la Figura
2.4.
Capítulo II
22
Figura 2.4. Esquema de Laboratorio de la remoción en continuo de solución de Ni(II)
utilizando bagazo natural como biosorbente.
2.1.4.1. Pruebas hidráulicas y selección de los parámetros de operación.
Previo a la realización de los ensayos de adsorción se realizan las pruebas
hidráulicas, donde se cargan dos columnas con Bagazo Natural y se le hace
circular agua con el propósito de determinar los flujos más adecuados para las
condiciones de operación establecidas.
Capítulo II
23
El flujo que se determinó en esta prueba, permite que la cama se mantenga
estable, no fluidice, no se fragmente, y que no drene cuando cesa la operación,
además de lograr una caída de presión adecuada. También se comprobó que el
mejor flujo es el ascendente, de acuerdo a lo reportado por (Alomá, 2006). El
caudal de alimentación seleccionado es de 2mL/min, según lo reportado.
Para la selección de la altura de la cama se toman en cuenta los criterios de
diseño (Treybal, 1980), que plantean que pueden ser de seis veces o más el
diámetro interior de la columna. Las alturas de las camas corresponden a 15 cm
cada una. La masa de bagazo que se utiliza es de 4 g, en cada columna, con un
rango de diámetro de partícula comprendido entre 0,5 - 1 mm.
2.1.4.2. Cuantificación de las muestras.
Se realizaron las corridas comenzando a tomar las muestras de cada columna
con una frecuencia seleccionada(Alomá, 2006), hasta lograr la saturación del
biosorbente.
A las muestras tomadas se le determinó la concentración de níquel, con el
objetivo de determinar el porciento de remoción de las columnas en serie,
utilizando la técnica de absorción atómica, empleando para ello Pye Unicam SP9
PHILIPS Atomic Absorption Spectrophotometer. Chromium Analytical Line: 357,9
nm.
Para realización de las lecturas, se construyó la curva de calibración empleando
solución estándar de Níquel para preparar 50 mL de disolución patrón de la
especie metálica objeto de estudio a 2; 4; 8; 10; 20 y 40 ppm, en cantidades que
Capítulo II
24
se muestran en la Tabla 2.1. y que posteriormente se trasvasan a un matraz
aforado de 50 mL y se enrasan hasta el aforo con agua desionizada.
Tabla 2.1. Cantidad de solución estándar de Níquel para preparar los patrones.
Concentración de las muestras patrones. (ppm)
2 4 8 10 20 40
Volumen de estándar de Níquel (μL) 50 100 200 500 1000 2000
2.2 Metodología
2.2.1. Preparación de las soluciones.
Se preparó una solución de Cloruro de Níquel con una concentración inicial de
21 ppm, a pH= 4. Se cargaron dos columnas con 4,0 g cada una de bagazo sin
modificar, se hizo pasar el flujo con un caudal de 2 mL/min en forma
ascendente buscando las mejores condiciones de operación.
El experimento tuvo una duración de 660 min, poniendo en marcha el
cronómetro una vez que la disolución ha salido de la columna de relleno. Se han
tomado muestras continuas con una periodicidad establecida. Se ha realizado
un seguimiento del pH y del caudal a la salida de ambas columnas, para
comprobar que las condiciones previas establecidas se mantenían y así,
asegurar la correcta realización del experimento.
Las muestras recogidas a la salida de las dos columnas se analizan para
determinar el contenido de Ni (II) en las mismas. (Anexo 2)
Capítulo II
25
2.2.2. Cálculo de la superficie de lecho no utilizada.
En estos sistemas, la concentración en la fase líquida y en la fase sólida varía
tanto en el espacio como en el tiempo, por lo que el diseño y optimización de
columnas de lecho fijo tiene especial dificultad si no se cuenta con un modelo de
aproximación cuantitativo. En este sentido, el comportamiento dinámico de una
columna de lecho fijo es descrito en términos de perfil concentración de efluente
vs tiempo, lo que se conoce como curva de ruptura (Tenorio, 2006).
En el presente trabajo se ha estudiado la biosorción de Níquel (II), utilizando dos
columnas de lecho fijo descrita en la Figura 2.4, se aplicaron varios modelos
que permiten describir la curva de ruptura y determinar los principales
parámetros, se calculan por ecuaciones citadas en (Tenorio, 2006) que definen
el comportamiento del proceso de biosorción objeto de estudio.
El cálculo de la superficie de lecho no utilizada (Ecuación 2.5), constituye un
método para evaluar la capacidad de adsorción de biosorbentes en columnas de
flujo continuo. En todos los casos la onda de adsorción permite establecer el
punto de ruptura, representado en la Figura 2.5; tiempo al cual es necesario
detener la operación de las columnas y proceder al cambio del adsorbente. Es
importante analizar que el punto de ruptura se fija a la concentración límite
establecida por las normas medioambientales que rigen las concentraciones
límites de vertimientos para iones de metales pesados.
Capítulo II
26
Figura 2.5. Onda de adsorción.
Capítulo II
27
La longitud de lecho no utilizada se calcula mediante la ecuación 2.1. que se
muestra a continuación,
(Ec.2.1) ⎟⎟⎞
⎜⎜⎛ −
=ttLSNU⎠⎝ S
bS
t0
Donde:
Lo: representa la altura del lecho, [cm]
ts: representa el tiempo al que se alcanza la saturación de la cama, [min]
tb: representa el tiempo al que se alcanza el punto de ruptura de la cama, [min]
2.2.3. Cálculo de la capacidad de adsorción del lecho.
El área bajo la curva de ruptura, entre los límites apropiados, representa la
cantidad total de metal retenido (o capacidad máxima de la columna), qtotal, en
mg, para una determinada concentración de la alimentación y puede
determinarse por integración.
∫=
== totaltt
0t Rtotal dtC1000
(Ec. 2.2)
CR : Concentración de metal retenido, [mg/L]
Q : Caudal de alimentación, [mL/min]
Capítulo II
28
2.2.4. Porciento total de remoción de metal pesado durante la operación de
la columna:
El porcentaje total de metal retenido durante la operación de la columna se
obtendría como,
100mqRemoción%
total
total=
(Ec. 2.3.)
mtotal: Cantidad total de metal que pasa por la columna, [mg] . Luego:
1000tQC
m totalitotal=
2.2.5. Cálculo de la capacidad de adsorción y de la concentración de
equilibrio en el lecho:
Al igual que ocurre en los procesos que transcurren en discontinuo, los estudios
de equilibrio en columna requieren del conocimiento del la capacidad de
biosorción, qe (mg de metal sorbido/g de sorbente), y la concentración de metal
que permanece en disolución cuando se alcanza el equilibrio, Ce (mg/L), y
pueden ser determinados por las siguientes expresiones,
mtotal
eqqq =
(Ec 2.4.)
ef
total
Vm total
eqqC −
=
(Ec. 2.5.)
Capítulo II
29
2.3. Criterios de escalado.
2.3.1. Metodología para el escalado de torres de adsorción.
Para aplicar el escalado a nivel de planta piloto se emplea la metodología
propuesta por (Curbelo, 1997) la cual se basa en tomar en consideración los
parámetros de operación del modelo, en función de las mejores condiciones a la
cual opera el mismo; la cual se describe en el capítulo I.
2.4. Conclusiones Parciales.
1. Para el funcionamiento adecuado de las columnas de adsorción
rellenas con bagazo natural con arreglo en serie, se establecen como
parámetros de operación los siguientes:
• Que se trabaje a flujo ascendente, lo que facilita el proceso de
biosorción de la especie metálica Níquel contenida en el efluente,
garantizándose mayor contacto entre las fases.
• El pH de las disoluciones de Níquel debe encontrarse a valor de 4,
pues se logra la mayor remoción de la especie metálica frente al
bagazo natural, por poseer este último el punto de carga cero a pH
próximo a 5,5.
2. La onda de adsorción permite establecer el tiempo de vida útil de la
cama, que se alcanza al punto de ruptura que se fija tomando en
consideración la norma de vertimiento, ISO NC 27; el modelo de
Capítulo II
30
Adams-Bohart puede ser empleado para representar la parte inicial de
la curva.
3. El cálculo de la SNU/equilibrio permite determinar la superficie de
cama no utilizada, la cual se plantea, es proporcional al flujo de
alimentación.
Capítulo III
31
Capitulo III. Análisis y discusión de los resultados.
3.1. Estudios de biosorción en columna.
La mayor parte de los estudios sobre biosorción que aparecen en bibliografía se han
realizado en sistemas que trabajan en discontinuo. Sin embargo, desde un punto de
vista práctico, los procesos de biosorción a gran escala se llevan a cabo de un modo
continuo, generalmente en columnas de lecho fijo (Vijayaraghavan and Prabu, 2006).
3.1.1. Pruebas hidráulicas.
Las condiciones de operación óptimas para el proceso de biosorción en continuo con
arreglo de dos columnas en serie, permitieron establecer los parámetros de operación
que se describen en la Tabla 3.1, que se muestra a continuación.
Tabla 3.1. Condiciones de operación de las columnas de biosorción en continuo.
Tamaño de partícula: 1,0 - 0,5 mm.
Altura de la cama (cm) 15,0
Masa de bagazo (g) 4,0
Flujo (mL/min) 2,0
Las condiciones antes descritas, propician que la cama se mantenga estable, no
fluidice al paso del residual, no se fragmente, que no drene cuando cesa la operación, y
que se logre una caída de presión adecuada.
3.1.2. Cálculo de los parámetros que definen el comportamiento del tratamiento en continuo.
Con el flujo de 2,0 mL/min sucede que el bagazo se satura, en la primera etapa a los
420 minutos y alcanza el punto de ruptura a los 150 minutos, mientras en la segunda
etapa se alcanza la saturación a los 480 minutos y el punto de ruptura a los 300
Capítulo III
32
minutos.; tal como se muestra en la Figura 3.1. Los resultados obtenidos se reflejan en
la Tabla 3.4, tratándose un volumen de 1500 mL; alcanzándose remociones hasta de
90 %.
Figura 3.1. Onda de adsorción para soluciones de Níquel (II).
Tabla 3.2. Principales parámetros que definen el comportamiento del proceso de biosorción.
Punto de saturación
Column. Co/Ce[mg/L] SNU [cm] Vef [mL] qtot [mg] qe [mg/g] mtot[mg] %Remo.
1 21/19,7 9,64 840 1,09 0,273 17,64 6,19
2 0,38/18,9 5,63 960 0,9 0,22 20,16 4,48
Punto de ruptura
Column. qPr [mg/g] qe [mg/g] Ce [mg/L] SNU [cm] Vef [mL] mtotal [mg] % Remo.
1 5,46 1,36 2,78 9,64 300 6,3 86,7
2 10,24 2,56 1.89 5,62 600 11,37 90.03
Capítulo III
33
3.2. Modelo de Adams Bohart.
Los datos experimentales se ajustaron al modelo de Adams-Bohart mediante regresión
lineal, con objeto de comparar los resultados obtenidos. En la Tabla 3.3 se muestran
los valores encontrados para los parámetros del modelo, kAB constante cinética
[L/mg·min] y N capacidad máxima de sorción volumétrica [mg/L] (Tenorio, 2006).
Este modelo supone que la velocidad de sorción es proporcional a la capacidad
residual del sólido y a la concentración de la especie retenida y es usado para describir
la parte inicial de la curva de ruptura.
La expresión linealizada del modelo se representa por la siguiente ecuación:
vZNktCk
CCln 0ABiAB
i
−=
(Ec.3.1)
Donde
kAB es la constante cinética. [L/mg·min]
N es la capacidad de sorción volumétrica. [mg/L]
C es la concentración de soluto en la fase líquida. [mg/L]
ν es la velocidad de flujo lineal. [cm/min]
Z es la altura de relleno en la columna. [cm]
Sustituyendo en la expresión linealizada (Ecuación 3.1) del modelo se obtiene la
siguiente ecuación:
vZ*289,65t*26,289
CCln
i
−= (Ec.3.2)
Capítulo III
34
Tabla 3.3. Valores de las constantes obtenidas de los datos experimentales y su correspondiente ecuación lineal para el modelo de Adams Bohart.
Regresión lineal
Especie metálica
Ci [ mg/L] kAB [L/mg·min] N0 [mg/L] R2
Ni (II) 24 1,0954 4,5 0,9864
Como se pone de manifiesto por los valores de R2 obtenidos, el modelo de Adams
Bohart reproduce de forma aceptable los parámetros experimentales.
3.3. Cálculo de los parámetros de la columna a escala de planta piloto.
Para realizar el escalado de la propuesta a escala de planta piloto de las columnas de
adsorción rellenas con Bagazo Natural, se toma como referencia la columna a escala
de laboratorio aplicando la metodología establecida, la nomenclatura utilizada se refiere
en el epígrafe 2.3 del capítulo II.
3.3.1. Cálculo de la altura de la cama del prototipo.
Para cuando el modelo es 15 cm altura de la cama.
dcmdcp
mHpH
L
L = (Ec.3.3)
Sustituyendo en la Ecuación 3.3; y conociendo que el diámetro del modelo es 1,5 cm y
del prototipo es 6,5 cm.
Capítulo III
35
cmcm
cm
pH L
5,15,6
15= donde cmpHL 00,65=
3.3.2. Cálculos de la Caída de Presión (Bueno, 1997).
Para cuando la altura del lecho en el modelo es de 15 cm. Q= 2,0 mL/min. (3,33E-8m3/s)
( )223
2
**
*1150dpe
eH
P o
L ψυμ−
=Δ (Ec.3.4)
Sustituyendo en la ecuación 3.4
sm
ms
muo
4
24
38
10*89,110*766,1
10*33,3 −
−
−
== (Ec.3.5)
Luego:
( ) Pamm
smPas
P 049,015,0*)10*5,1(*5,0
10*89,1*10*8,0*
5899,05899,01*150
222
43
3
2
=−
=Δ −
−−
(Ec.3.6)
Para cuando la altura del lecho en el prototipo es de 65 cm.
pHPp
mHPm
LL
Δ=
Δ (Relación de Escala)
entonces:
m
Ppm
Pa65,010*5,1
049,02
Δ=− (Ec. 3.7)
Luego:
PaP 12,2=Δ
Capítulo III
36
Tabla 3.4. Parámetros de operación según la relación de escala.
Para soluciones de Níquel (II)
Modelo Piloto
HL (m) 0,15 0,65
dc (m) 0,015 0,065
( )PaPΔ 0,049 2,12
Q(m3/s) 3,33E-8 3,31E-3
En la Tabla 3.4 se resumen los resultados del escalado del modelo de columnas
rellenas con bagazo de caña de azúcar natural, utilizadas en el laboratorio. Las
dimensiones del prototipo tienen valor según rangos establecidos, siendo el valor de la
altura del lecho de 15cm, el prototipo es de 65 cm. (Anexo 3)
Además se determinó, mediante la relación de escala establecida, la caída de presión
que proporciona el lecho para las alturas que se plantean, tal como se reporta en la
tabla 3.4. Las mismas tienen valores bajos lo cual puede atribuirse a la baja densidad y
alta porosidad del relleno.
3.3.3. Cálculo de la masa de bagazo que se necesita en la planta piloto.
Para cuando la altura del lecho es de 65 cm.
ρBSM = 0,3333 g/cm3 (333,3 Kg./m3); calculado experimentalmente.
V BSM = A * h (Ec.3,8)
Sustituyendo en (Ec.3,8)
V BSM = 0,000174 m2 * 0,65 m
V BSM = 0,000114 m3
mBSM = 0,0379 kg
Capítulo III
37
3.4. Análisis económico preliminar.
El análisis económico de una producción industrial, constituye un estudio complejo de
cada uno de los eslabones que también contribuyen a la actividad económico-
productiva, siendo una de las funciones de la organización y dirección científica de la
producción.
Dicho análisis, permite determinar si la inversión proyectada es capaz de satisfacer los
requerimientos que la han originado y si es o no, económicamente factible, valorando
objetivamente los resultados. [González Suarez. E., González Rodríguez. V., 1987].
Por todo ello, se procede a realizar la valoración económica de la planta piloto que se
muestra en la figura 3.2 anterior, todas las columnas son iguales. Esto para lograr un
proceso continuo en la escala piloto propuesta en el presente capitulo.
.
Figura 3.2 Propuesta de escalado a escala piloto.
Capítulo III
38
3.4.1. Cálculo de la inversión.
Con el propósito de calcular la inversión correspondiente al escalado a planta piloto de
la columna de adsorción rellena con BQM se procede a aplicar la metodología
propuesta por [Peters. M.S., Timmerhaus, K.D., 1968.]
Costo total = Costo operación +Costo Fijo (Ec.3.8)
Costos de Adquisición =Costo de tanques + Costo de la columna + Costo de
tuberías y accesorios. (Ec.3.9)
Costo Fijo = Costo de adquisición + Costo de instalación. (Ec.3.10)
Costo de instalación = Costos de Adquisición * 0,35 (Ec.3.11)
Costo de operación = Salarios + Laboratorios + Adsorbente (Ec.3.12) Para calcular los indicadores de costo nos basamos en los datos que se muestran en
las tablas 3.5 y 3.6.
Tabla 3.5. Indicadores para el cálculo del costo de adquisición.
Insumos C. Unitario Cantidad Costo Fuente
Tanque de acero.
(V = 0,677 m3 ) 33,05 MN 1U 33,05 MN Consuminport.
Columna de material plástico.
( L= 1,00 m) 6,50 MN 3U 19,50 MN Consuminport.
Aislante(PVC), ( 3,52 m2) 16 MN/m2 3,914 m2 62,624 MN Consuminport.
Válvulas. 0,45 MN 3U 1,35 MN Consuminport.
Codos. (900) 0,77 MN 9U 6,93 MN Consuminport.
T 0,62 MN 2U 1,24 MN Consuminport.
Tuberías (3/8") 1,50MN/6 m 7 m 6,86 MN Consuminport.
Capítulo III
39
Sustituyendo en la Ecuación 3.9
Costos de Adquisición = 131,55 $.
Sustituyendo en la Ecuación 3.7:
Costo de instalación =(131,55 $) * 0,35 = 46,04 $.
Sustituyendo en la Ecuación 3.10:
Costo Fijo = (131,55+46,04) $ = 177,59$.
En el laboratorio se realizan dos análisis diarios para la determinación de la
concentración del metal pesado en el efluente; para ello se utiliza la técnica de
espectrofotometría de absorción atómica. Su costo asciende a 10,166 $/ análisis.
Tabla: 3.5.1. Cálculo del costo de operación para 1 mes de trabajo: Salario: 560,00 $
Análisis: 487.968 $
Bagazo
Natural:
0,014 $/carga 0,072 $
En un turno de trabajo de 8 horas, se utilizan cinco cargas de bagazo.
Costo de operación = (560,00 + 487,968 + 0,072)$ = 1 047,75 $
Tabla 3.6. Indicadores para el cálculo del costo de operación.
Insumos C. Unitario Cantidad Valor Mensual Fuente
Técnico de Laboratorio(salario) 1,80 $/h 1 $343,00 Dpto. RRHH.
Operario. (salario) 1,47 $/h 2 $560,00 Dpto. RRHH.
Bagazo Natural 0,02 MN/kg 4,0 1,44 MN C Producción
Capítulo III
40
Sustituyendo en la ecuación 3.8.:
Costo total = (1 047,75 + 177,59)$. = 1 225,34 $
3.4. Conclusiones Parciales.
• Aplicando la metodología propuesta por [Curbelo. T., 1997] para el escalado se
calcularon los principales parámetros de las columnas de adsorción a escala de
planta piloto.
• Las caídas de presión en las columnas utilizadas a nivel de laboratorio y el
escalado a planta piloto tienen valores que se corresponden con la alta porosidad y
la baja densidad del biosorbente.
• Al aprovechar la gravedad como medio de transporte del fluido, la evaluación
económica reporta que la inversión es baja; y el costo de operación es quien
mayor peso tiene en el costo total.
Conclusiones
41
Conclusiones:
• El estudio hidrodinámico en las columnas rellenas con bagazo natural a escala
de laboratorio permitió corroborar que las mejores condiciones de operación son:
flujo ascendente, altura del relleno 15 cm y diámetro de la partícula 1,0 – 0,5
mm.
• Se obtuvieron las ondas de adsorción para las dos columnas arregladas en
serie, lo que posibilitó determinar los tiempos de agotamiento de las camas,
alcanzándose en el punto de ruptura niveles de concentración inferiores a lo
establecido por las normas de vertimiento.
• Se determinó el costo total de la propuesta de escalado a nivel de planta piloto,
observándose que el mayor peso lo tiene el costo de operación, determinado por
el uso de espectrometría de absorción atómica para cuantificar los resultados de
la biosorción de metal, salarios y consumo de materias primas.
• El escalado a nivel de planta piloto del sistema de adsorción en continuo
utilizando como relleno de la cama bagazo de caña de azúcar natural, a partir de
la información brindada por los resultados a nivel de laboratorio demostró que la
propuesta tecnológica es económicamente factible.
Recomendaciones
42
Recomendaciones:
• Que se continúen realizando estudios de remoción en continuo, utilizando
alternativamente otros materiales biosorbentes además del material objeto de
estudio.
• Que se potencie el uso de arreglos en serie – paralelo, con 3 columnas con
bagazo natural como relleno de las camas.
• Que se continúe estudiando el proceso de biosorción n continuo empleando
otras especies metálicas en soluciones homoiónicas y multiiónicas, con el
propósito de evaluar las variables más influyentes en el proceso, interactuando
con la selectividad del biosorbente.
Bibliografía
43
Bibliografía:
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pesados empleando columnas rellenas con bagazo de caña químicamente
modificado y propuesta de escalado a nivel de planta piloto. Departamento
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en zeolitas. Influencia de la naturaleza de la zeolita y de variables de
proceso.
3. ARRIAGADA, R., GARCÍA, R. & CID, R. (1990-9) Retención de Cr (III) y Hg
(II) en zeolitas. Influencia de la naturaleza de la zeolita y de variables de
proceso.
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Anexos
Anexo: I
NIQUEL Especiación y toxicidad.
Nombre registrado: Níquel Nombre químico: Níquel Sinónimos, nombres comerciales: Nombre químico (alemán): Michel Nombre químico (francés): Michel Nombre químico (inglés): Michel
Aspecto general: Metal pesado, de un brillante color blanco plateado, dúctil y maleable, con una densa red cristalina cúbica (beta-níquel) o con una configuración hexagonal menos estable (alfa-níquel). El uniquely es levemente ferromagnétic.
Datos físico-químicos básicos
Símbolo químico: Ni Masa atómica relativa: 58,71 g Densidad: 8,9 g/cm3 a 25� C Punto de ebullición: 2 730�C Punto de fusión: 1 455�C Presión de vapor: 0 Pa a 20�C Temperatura de ignición:
Autoignición ("Raney nickel" en estado seco)
Solvólisis: En agua: insoluble; se disuelve en ácido hidroclórico y sulfúrico así como en ácido nítrico diluido.
Anexos TOXICIDAD
Mamíferos: Ratas DLmín 12 mg/kg, intraperitoneal s.ULLMANN, 1981Ratones DLmín 50 mg/kg, intravenoso s.ULLMANN, 1981Conejillos de Indias DLmín 5 mg/kg, oral s.ULLMANN, 1981Perros DLmín 10 mg/kg, intravenoso s.ULLMANN, 1981Organismos acuáticos: Peces CL100 5-50 �g/l (24-96 h) s.ATRI, 1987 Larvas de peces, alevinos
CL50 0,1-5�g/l s.ATRI, 1987
Pulgas acuáticas 0,1-5 �g/l 1) s.ATRI, 1987 Plantas: Diversas especies 20-30 mg/kg, reducción del
rendimiento s.BAFEF, 1987
Cebada joven 11-13 mg/kg, reducción del rendimiento
s.BAFEF, 1987
Nota: 1) Cuanto menor sea la dureza por carbonatación del agua, tanto menores serán los valores de la toxicidad.
ESTÁNDARES AMBIENTALES
Medio/ receptor
Ámbito País/or- ganismo
Status Valor Norma Observaciones Fuente
Agua: Agua
pot. RFA L 0,05
mg/l TVO, 1986
Agua pot.
CE G 0,05 mg/l
s.LAU-BW3), 1989
Agua pot.
OMS G 0,1 mg/l
s.TEBBUTT, 1983
Aguas superf.
Suiza L 0,05 mg/l
s.LAU-BW. 1989
Aguas superf.
RFA G 0,03 mg/l
1) DVGW, 1975
Aguas superf.
RFA G 0,05 mg/l
2) DVGW, 1975
Anexos
Aguas superf.
EEUU (L) 1 mg/l estado de Illinois
s.WAITE, 1984
Agua marina
EEUU G 0,1 mg/l
nivel de riesgo EPA, 1973
Agua marina
EEUU G 0,002 mg/l
riesgo mínimo EPA, 1973
Aguas subterr.
RFA(HH) G 0,02 mg/l
estudios adicionales
s.LAU-BW, 1989
Aguas subterr.
RFA(HH) G 0,2 mg/l
estudios p/saneam.
s.LAU-BW, 1989
Aguas subterr.
P. Bajos G 0,015 mg/l
recomendación s.TERRA TECH 6/94
Aguas subterr.
P. Bajos L 0,075 mg/l
intervención s.TERRA TECH 6/94
Aguas subterr.
EEUU (L) 1 mg/l estado de Illinois
s.WAITE, 1984
Aguas serv.
Suiza (L) 2 mg/l 4) s.LAU-BW, 1989
Aguas serv.
RFA(BW) (G) 3 mg/l s.LAU-BW, 1989
Agua p/riego
EEUU 0,2 mg/l
12) EPA, 1973
Agua p/riego
EEUU 2 mg/l 13) EPA, 1973
Anexos
Anexo 2. Efecto de la adsorción de Niquel (II), para una altura de 15 cm y una concentración de 21 ppm.
Tiempo de [Ni (II)]salida
[Ni (II)]salida
contacto,min Columna 1
Columna 2
0 0 15 0.01809524 0.5 30 0.0047619 0.6 45 0.00285714 0.66666667 60 0.00142857 1 75 0.00190476 0.5 90 0.00333333 0.42857143
120 0.02 0 150 0.13238095 0 180 0.35619048 0 210 0.59761905 0.00398406 240 0.69047619 0.01793103 270 0.77619048 0.04294479 300 0.81428571 0.11052632 330 0.82 0.22357724 360 0.85380952 0.46569994 390 0.88238095 0.66109012 420 0.95 0.75789474 450 0.94761905 0.86281407 480 0.94761905 0.94723618 510 0.94761905 1.00100503 540 0.94761905 1.0201005 570 0.94761905 1.03969849 600 0.94761905 1.05075377
Anexos
Anexo: 3. Prototipo de columna de adsorción, según criterios de escalado.
