INGENIERÍA BIOQUÍMICA

MATERIA: OPERACIONES UNITARIAS I

CATEDRATICO: ING. LUCILA JUAREZ MENDOZA

PRÁCTICA NO.2

SEDIMENTACIÓN POR GRAVEDAD Y PRUEBA DE JARRAS

INTEGRANTES EQUIPO 1:

ABRIS MARQUEZ SUA 10360275

ANSELMO HERNÁNDEZ LAURA 10360280

AMAYO CASTILLO SANDRA 09360302

SANCHEZ OLAYA MARCO ANTONIO 10360348

KRASSEL PEÑA ERICK 10360311

VAZQUEZ CARRERA SERGIO GEOVANY 10360932

OPERACIONES UNITARIAS IPRÁCTICA NO.2

PRÁCTICA NO. 2

SEDIMENTACIÓN POR GRAVEDAD Y PRUEBA DE JARRAS

OBJETIVOS:

Que el alumno pueda considerar que la sedimentación de partículas sólidas dentro de una fase liquida se efectúa por fuerza de gravedad, con relación a la velocidad de partícula. Diferenciando de acuerdo a su densidad los sólidos sedimentables y solidos suspendidos existentes.

El practicante determinara que en el proceso de sedimentación, es útil aplicar coagulación-floculación para una clarificación de líquidos, eliminando mayor parte de sólidos, con la Prueba de jarras. El propósito es conocer la eficiencia de la actividad química con ayuda de los equipos en la función de clarificación.

INTRODUCCIÓN:

SEDIMENTACION POR GRAVEDAD

Es una operación unitaria consistente en la separación por acción de la gravedad de las fases sólidas y liquidas de una suspensión diluida para obtener una suspensión concentrada y un líquido claro. Puede ser benéfico en el tratamiento del agua, o perjudicial en la reducción del volumen útil de los embalses o la capacidad de un canal de riego o drenaje.

Para la una buena sedimentación se usa el cono de Imhoff se utiliza para determinar la eficiencia de un sedimentador, y consecuentemente establecer el tenor de sólidos en suspensión eliminables en la decantación primaria. El cono de imhoff es también utilizado en el proceso de sedimentación por gravedad.

La sedimentación por gravedad aprovecha la fuerza de gravedad para separar los sólidos presentes en un fluido. La condición necesaria para ello es que la densidad del solido sea mayor que la de fluido. En donde se observan en el cono de imhoff en la parte superior los sólidos suspendidos y en la parte inferior claramente varias zonas de partículas de diferentes tamaños caracterizadas por diferente concentración de sólidos y, por lo tanto, diferente velocidad de sedimentación.

La materia en suspensión en el agua rara vez tienen forma esféricas. Las partículas irregulares que por lo general componen las suspensiones posen una mayor área superficial por unidad de volumen que la correspondiente a las esferas, y a causa de ello se sedimentan, además tienen mayor fricción lo que cambia la orientación de la partícula en movimiento. Sin embargo, cuando las velocidades de sedimentación son bajas, el efecto de la forma irregular de las partículas no es importante. La mayoría de los sistemas de sedimentación están proyectados para eliminar partículas de tamaño pequeño y velocidad de sedimentación baja. Las partículas de gran tamaño, las cuales sedimentan a mayores velocidades, serán eliminadas en cualquier caso.

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La sedimentación discontinua. La concentración de sólidos es lo suficientemente alta de modo que la sedimentación de partículas individuales o flóculos se ve impedida por otros sólidos a tal grado que todos lo sólidos a un nivel dado sedimentan a una misma velocidad. En ella se ve claramente cómo actúan las partículas sedimentadas dentro de una probeta en la cual el tiempo de sedimentación es rápido y el comportamiento de las partículas es gradual respecto al tamaño de estas, la forma y la fuerza de su incorporación al recipiente.

PRUEBA DE JARRAS

En una planta de purificación el agua circula por una serie de unidades que, mediante un proceso continuo, someten el afluente o agua cruda a una serie de procesos en la cual el objetivo principal es remover los sólidos suspendidos y eliminación de bacterias, cabe resaltar que en el momento de eliminar sólidos suspendidos también existe la remoción de un gran cantidad de carga orgánica.

Los proceso principales para mejorar la calidad del agua comprenden los siguientes proceso, sedimentación, aireación, coagulación-floculación, decantación, filtración, desinfección y con esto lograremos que el agua esté en condiciones óptimas para que le hombre pueda aprovecharla nuevamente.

La mayoría de partículas en suspensión tiene una carga negativa, esto significa que se repele unas a otras y así se mantienen en suspensión, las partículas que se mantienen en suspensión se dice que son estables, en el proceso de coagulación, este aporta iones con carga positiva, cambia la carga electrostática y de este quedan desestabilizadas.

La floculación es un proceso químico mediante el cual, con la adición de sustancias denominadas floculantes, se aglutinan las sustancias coloidales presentes en el agua, facilitando de esta forma su decantación y posterior filtrado. Es un paso en el proceso de potabilización de agua de origen superficial y tratamiento de aguas servidas domésticas, industriales y de la minería.

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La prueba de jarras es un procedimiento que se utiliza comúnmente en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Este método determina las condiciones de operación óptimas generalmente para clarificar agua.

La prueba de jarras permite ajustar el pH, hacer variaciones en la dosis de las diferentes sustancias químicas que se añaden a las muestras, alternas velocidades de mezclado y recrear a pequeña escala lo que se podría ver en un ejemplo de tamaño industrial.

COAGULACIÓN

Durante la coagulación se desestabilizan los coloides debido a que disminuye el potencial zeta de las partículas mediante la adición de coagulantes. Esta desestabilización se produce por el contacto que se establece entre las partículas suspendidas (coloides) y los microflóculos de carga positiva de fierro o de aluminio. El punto óptimo para la coagulación es cuando el potencial zeta alcanza su más bajo nivel, o punto isoeléctrico, que es cuando las fuerzas de Van der Waals prevalecen.

COAGULANTES UTILIZADOS

Los componentes so productos químicos que al adicional al agua son capaces de producir una reacción química con los componentes químicos del agua, especialmente con la alcalinidad del agua para formar un precipitado voluminoso, muy adsorbente, constituido generalmente por el hidróxido metálico del coagulante que se está utilizando.

El proceso más clásico para la desestabilización de las partículas coloidales se basa en el uso de reactivos químicos a los que denominamos coagulantes.

Estos pueden ser:

a) Basados en el aluminio: Sulfato de aluminio Polihidroxicloruro de aluminio Aluminato sódico.

b) Basados en el hierro: Sulfato férrico Cloruro férrico Sulfato ferroso

c) Basados en el calcio: Cloruro cálcico Hidróxido cálcico

d) Basados en el magnesio: Cloruro de magnesio

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Una vez que las partículas coloidales han sido desestabilizadas, ya pueden unirse o agregarse. También se usan reactivos químicos constituidos por polímeros. Dependiendo del monómero de partida y se carga pueden ser:

a) No ionicos: Poliacrilamidas Polímeros del óxido de etileno

b) Anionicos: Copolímero de acrilamida-acrilato. Poliacrilamida parcialmente hidrolizada Polisulfónicos

c) Catiónicos: Polietilenamina Polimetacrilato Copolímeros de acrilamida con grupos amonio cuaternarios

Estos polímeros suelen emplearse conjuntamente con los coagulantes, a excepción de casos tales como el espesamiento de fangos orgánicos en los que se usan polielectrolitos catiónicos, sin otra combinación. Como se observa en la clasificación anterior, entre los coagulantes más comúnmente utilizados para desestabilizar las partículas y producir el floc se encuentran: sulfato de aluminio, aluminato de sodio, cloruro de aluminio , cloruro férrico, sulfato férrico, sulfato ferroso, polielectrolitos (como ayudantes de floculación).

La floculación hace que se formen conglomerados de partículas coloidales de mayor tamaño cuando se establecen puentes químicos entre ellas, de esta manera forman estructuras fácilmente sedimentables que pueden removerse mediante sedimentación, flotación o filtración.

Cuando a la muestra que se va a sedimentar se sedimentar se adiciona un coagulante en una dosis menor a la óptima, no se forman flóculos o, si se forman son tan pequeños que le dan a la muestra una apariencia turbia. Si es al contrario, o sea, el coagulante que se le añade es excesivo, se forma un floculo muy denso y esponjoso que se puede romper al agitar, lo que dificulta la sedimentación. Un buen floculo es de apariencia pesada y compacta, además de que inmediatamente después de haberle agregado el coagulante y agitarlo comienza a sedimentarse.

La selección de floculante y la cantidad óptima de aplicación, se determina mediante los ensayos de prueba de jarras.

INFLUENCIA DE LA MEZCLA

El grado de agitación que se le da a la masa de agua durante la adición de coagulante , determina si la coagulación es completa; turbulencia desiguales hacen que cierta porción de agua tenga mayor concentración de coagulantes y la otra parte tenga poco o casi nada; la agitación debe ser uniforme e intensa en toda la masa del agua, para asegurar que la mezcla entre el agua y el coagulante haya sido bien hecho y que se ha producido una reacción química de neutralización de

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cargas correspondiente. En el transcurso de la coagulación y floculación, se procede a la mezcla de productos químicos en dos etapas. En la primera etapa, la mezcla es energética y de corta duración (1 minutos aproximadamente) llamado mezcla rápida; esta mezcla tiene por objeto disipar la totalidad del coagulante del volumen del agua a tratar, y en la segunda etapa la mezcla es lenta y tiene por objeto desarrollar los microflóculos.

FLOCULACIÓN

Es el proceso que sigue a la coagulación, que consiste en la agitación de la masa coagulada que sirve para permitir el crecimiento y aglomeración de los flóculos recién formados con la finalidad de aumentar el tamaño y peso necesarios para sedimentar con facilidad. Estos flóculos inicialmente pequeños, crean al juntarse aglomerados mayores que son capaces de sedimentar.

PRUEBA DE JARRAS

Entonces la prueba de jarras es un método de simulación de los procesos de coagulación y floculación, realizado a nivel laboratorio que permite obtener agua de buena calidad., fácilmente separable por decantación, los flóculos formados con diferentes dosis del coagulante dan como resultado valores de turbiedad diferentes.

La prueba de jarras tiene los siguientes pasos a seguir:

1. Llenar los vasos de precipitados del aparato con el agua a analizar. Un contenedor deberá de ser el control, mientras que los demás pueden ser ajustados a las condiciones deseadas.

2. Adicionar el coagulante a cada contenedor y mezclar a aproximadamente 100 rpm por 1 minuto.

3. Reducir la velocidad de mezclado a 25 o 35 rpm y continuar el proceso de mezclado por 15 o 20 minutos.

4. Apagar el equipo de mezclado y esperar a que se sedimenten de 20 a 45 min.5. Filtrar el contenido de contenedores y hacer las pruebas necesarias con el precipitante y el

sobrenadante.

FIG. EQUIPO PRUEBA DE JARRAS

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MATERIAL Y EQUIPO

MATERIAL EQUIPO SUSTANCIASSEDIMENTACION Agitador

Vaso pp de 2LCono de Imnoff (1L)Probeta de 1 L

Muestra de arena 200grAgua

PRUEBA DE JARRAS 13 tubos de (18*150)4 vasos pp de 1L4 pipetas de 5 mlMatraz aforado de 1lEspátula4 perillas

EspectrofotómetroTurbidimetroSimulador de prueba de jarras

Sulfato de aluminioSuspensión acuosa de caolínAgua tridestilada

METODOLOGIA

SEDIMENTACION POR GRAVEDAD

Preparar la muestra de arena de 200 gr y aforarla a 1 L Verter hacia el cono de imnoff, la muestra lo más rápido posible, sien esta homogénea. Considerar el tiempo de la sedimentación en 15 min, para que en los sólidos suspendidos

posteriormente se les aplique una fuerza manual muy lenta Dejar reposar , observando las diferencias de tamaño entre las partículas conocidas como

zonas de sedimentación Obtener la cantidad de partículas sedimentadas en la experimentación en gramos en

relación al litro.

PRUEBA DE JARRAS

Colocar en cada vaso pp de 1 litro la suspensión acuosa a tratar a los que se someterán al movimiento radial de las hélices que contienen el aparato de jarras

Al mismo tiempo momento de que se aplique la fuerza se añadirá para todos los vasos pp el coagulante tratar de no variar para que el efecto sea el mismo

La velocidad del aparato de jarras deberá ser muy rápida en rpm durante 1 min (en nuestro caso no se podía medir las revoluciones por minuto pero si era funcional porque trabajo con un motor de licuadora y con ayuda de un ventilador disminuía el trabajo para no sobrecalentarse )

Posteriormente darle una velocidad mínima con 15 min de trabajo con el aparato de prueba de jarras para terminar reposando con otros 15 min.

se observara cual vaso pp está más clarificado, significando que serán la cantidad apropiada o exacta de coagulante para que el líquido de la suspensión acuosa de caolín

Llevar X1, X2, X3, X4 al espectrofotómetro a 340 λ y turbidimetro con 3 muestras cada una para mayor exactitud, tabular y graficar para su mayor comprensión de resultados.

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ELABORACIÓN DE SUSTANCIAS

SEDIMENTACIÓN POR GRAVEDAD:

200 gramos de muestra de arena, mezclados en 1 litro de agua (son 400 g ya que 200 g son para el cono de imhoff y 150 g para la probeta)

PRUEBA DE JARRAS

Suspensión acuosa de caolín que es el material a tratar, su formación es:

1.6 gr de caolín más 0.4 de bicarbonato sódico a 8 litros con agua bidestilada

(Utilizar solo 4 litros) para las cuatro muestras, de un litro cada una(X1, X2, X3, X4). No descartar que se necesite la muestra madre para someterla al espectrómetro y turbidimetro

Elaboración del coagulante metálico (Al2(SO4)3) sulfato de aluminio al 1%

CÁLCULOS:

Trabajaremos en ppm, por lo que 1L son 1 000 000 ppm, entonces 10 000 ppm son 1% Por lo tanto la solución coagulante al 1% necesita 0.01 L y de igual manera, 1000 gr son 1000 000 ppm, entonces al 1% son 10 gr así viceversa

1 Kg – 1000 000 ppm 1000 ml – 1000 000 ppmX - 10 000 ppm X - 10 000 ppmX= 0.01 gr X= 10 ml

Relacion: 0.01 gr – 10 ml 1 gr - X

X= 1000 ml

1000 ml se necesitan 10 gr para tener al 1%Pero si solo necesito 50% de un litro para no desperdiciar tendré que

1000 ml – 10 gr500 ml - XX= 5 gr de Al2(SO4)3

NOTA:

En cada muestra se le emplearan diferentes concentraciones por ppm (la cantidad de unidades por sustancia que hay en cada millón de unidades del conjunto) para la coagulación, es decir, a la 1 muestra son 70 ppm, la segunda 65, así sucesivamente hasta 55.

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CÁLCULOS: porque solo destine 500ml – 1000000 ppm y para 70 ppm por mi 100%

Tendré

X1=3.5mlX2=3.25mlX3=3.0mlX4=2.75ml

Como referencia mis 500ml son mi 100%

RESULTADOS

SEDIMENTACION POR GRAVEDAD

En el cono de imhoff existieron 8 zonas de solidos sedimentados con lectura de 177 ml/ 1l, donde estuvieron presentes 823 ml solidos suspendidos por todo el litro.

En la probeta tuvimos 145 ml/ 1l de solidos sedimentados con 5 zonas y 855 ml/ 1l de solidos suspendidos

En ambos se encontraron materiales que flotaban sobre encima de los sólidos de arena, estos aun ni con coagulantes se sedimentan porque es más grande su fuerza de flotación, por sus características físicas, estos eran hojas, ramas y basura externa.

Consideremos que a nivel macro como es en una tratadora de agua, es lo primero que se elimina por medio de un tamiz, con diámetro mayor que los sólidos en mayor cantidad (en este caso la arena)

PRUEBA DE JARRAS

El vaso X1 y X2 presentaron mayor clarificación en todo el sistema a tratar

Resultados en el espectrofotómetro con 340 transmitancia λ y absorbencia 0

Muestra madre: 0.398

X1=0.0330.0420.048

X2=0.0420.0430.051

X3=0.1020.1030.110

X4=0.0600.0570.073

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En el turbidimetro como resultado tenemos:

Muestra madre: 3.95

X1=0.310.330.35

X2=0.360.380.42

X3=0.530.450.44

X4=0.380.430.48

CONCLUSIÓN

Esta actividad experimental en forma sencilla, pudo transpolar nuestra imaginación e ingenio para la aplicación en la industria a macro escala, en este caso con orientación al tratamiento de aguas y sólidos suspendidos en la misma, así como también la aplicación de técnicas comunes y que por lo mismo muchas de las veces pasamos desapercibido, de igual manera el uso de los principios científicos que la sustentan.

Una de las operaciones unitarias usadas fue, la sedimentación, misma que nos permite la separación por acción de la gravedad, de las fases solida y liquida de una suspensión diluida, con la finalidad de obtener una suspensión concentrada y un liquido claro. Durante el desarrollo de esta observamos que la técnica para verter es de suma importancia, ya que de realizarla de manera correcta, permite la formación de zonas, para un mejor análisis y presentando así mejor interacción entre las partículas. Para así poder realizar el cálculo de la cantidad de sólidos sedimentados en nuestro desarrollo experimental para el cono de imhoff 177 ml/L y para la probeta 145 ml/L, ambas de una muestra de arena de 200g en 1L de agua. Generando así un porcentaje elevado de purificación, para el cono de imhoff 823ml/L y para la probeta 855ml/L.

“los sólidos sedimentables están formados por partículas más densas que el agua, que se mantienen dispersas dentro de ellas en virtud de la fuerza de arrastre causada por el movimiento o turbulencia de la corriente. Por esta razón, sedimentan rápidamente por acción de la gravedad, cuando la masa de agua se mantiene en reposo”

Por otro lado utilizamos la técnica de prueba jarra a fin de determinar la dosis más efectiva de coagulante para el agua especifica durante el control de coagulación y floculación, llevando esta a una planta de tratamiento (simulación), así mismo a través de las diferentes etapas anteriormente mencionadas, pudimos apreciar como las partículas solidas de las jarras se iban yendo cada vez más al fondo y el agua tendía a clarificarse, utilizando diferente concentración de solución coagulante a 1% para cada vaso, asimilando así que entre más coagulante mayor es la capacidad a clarificar en este caso del agua.

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Pero igual remarcar que es sumamente importante, haber realizado de forma más acertada los cálculos para así poder realizar de manera correcta esta prueba, además que hay una dependencia de la velocidad con que esta prueba se aplica. Nuestra mejor prueba fue en el vaso uno, obteniendo los valores más pequeños medidos en el turbidimetro, asi como también con respecto a la transmitancia y a la absorbancia, generando así un porcentaje más alto en cuanto a clarificación con respecto a los otros vasos.

IMÁGENES

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BIBLIOGRAFÍA:

dspace.espoch.edu.ec/bitstream/123456789/684/1/96T00136.pdf catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/leia/.../capitulo3.pdf www.signia.cl/1292/articles_49990_16.pdf OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERIA QUIMICA. MacCabe Smith. SEPTIMA EDICIÓN.

Mc Graw Hill. Pág. 1106,1107, 1111 y 1112

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