3048_ trat. de efluentes a

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INTERCADECONSULTANCY & TRAINING

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TRATAMIENTO DE EFLUENTES

MINERO-METALURGICOS

Dr. CRISTIAN VARGAS R.Consultor INTERCADE

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MODULO I

TRATAMIENTOTRATAMIENTO DE MINERALES SOLUBLES

TALLER

Dr. Cristian Vargas Riquelme - [email protected] - Consultor Intercade

Dr. CRISTIAN VARGAS R.Consultor INTERCADE

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INDICE

1. Revisión Bibliográfica: Biotecnologías.

2. Aspectos Electroquímicos de la Cementación de Metales.

3. Precipitación Selectiva de Metales. Uso de H2.

4. Aspectos de Diseño en Sistemas de IX.


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1. Revisión Bibliográfica: Biotecnologías.


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BIOTECNOLOGIAS¿QUE ES BIOTECNOLOGIA?

En términos generales biotecnología se puede definirl d i i d tcomo el uso de organismos vivos o de compuestos

obtenidos de organismos vivos para obtener bienes yservicios para el hombre.


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TECNICAS USADAS EN BIOTECNOLOGIA

Las técnicas biotecnológicas utilizadas se agrupar en dosgrandes áreas:

Cultivo de tejidos: Trabaja a un nivel superior a la célula Cultivo de tejidos: Trabaja a un nivel superior a la célulae incluye células, tejidos y órganos que se desarrollanen condiciones controladas.

Tecnología del ADN: Involucra la manipulación degenes a nivel del ADN, aislamiento de genes, surecombinación y expresión en nuevas formas, etc.


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RAMAS DE LA BIOTECNOLOGIA

La biotecnología puede ser clasificada en cinco ampliasáreas.

Biotecnología en Salud Humana.( donde se incluye la B. Alimentaría)

Biotecnología Animal.

Biotecnología Industrial.


Biotecnología Vegetal.

Biotecnología Ambiental.

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BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL

La biotecnología ambiental se refiere a la aplicación de losprocesos biológicos modernos para la protección yrestauración de la calidad del ambiente.

El uso de microorganismos en procesos ambientales seencuentra desde el siglo XIX. Hacia finales de 1950 yprincipios de 1960, cuando se descubrió la estructura yfunción de los ácidos nucleicos


La biorremediación (uso de sistemas biológicos para lareducción de la polución del aire o de los sistemasacuáticos y terrestres)

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Para la protección del medio ambiente se utilizan técnicasde biorremediación empleando microbios que son capacesde metabolizar el petróleo en casos de mareas negra y en ellavado de tanques de petroleros; así como paradescontaminar aguas residuales de diferente industrias queg qcontengan metales pesados, uranio, hidrocarburos, etc.


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DEGRADACION Y BIORREMEDIACION

BIODEGRADACION, se refiere al proceso natural medianteel cual bacterias y otros microorganismos alteran yconvierten moléculas orgánicas en otras sustancias, comoácidos grasos y COácidos grasos y CO2.

BIORREMEDIACION, adición de materiales a ambientescontaminados para producir una aceleración del procesonatural de biodegradación.

FERTILIZACION, método de biorremediación de adición denutrientes, como N o P a un medio contaminado para


pestimular el crecimiento de microorganismos nativos.

INOCULACION, adición de microorganismos a un sitiocontaminado, los cuales pueden adicionarse junto connutrientes.

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DEGRADACION Y BIORREMEDIACION

Evaporación

Emulsificaciónu s cac óFotooxidación

SpreadingInteracción de partículas finas

Biodegradación

Adsorción ypenetración

MigraciónBiodegradación

Dispersión

Disolución


Sedimentación

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CONTAMINANTE:Carbono orgánico

TRANSFORMACION-Contaminante

modificado.(Cometabolismo)

NUTRIENTES:-Nitrógeno-Fósforo-Otros

ELECTRONES:RECEPTORES DE

-Oxígeno

MICROORGANISMOSSISTEMAS

ENZIMATICOS

MINERALIZACION-Contaminantes

transformado en Co2

y H O


-Oxígeno-Nitratos-Sulfatos-Otros

y H2O.

Actividades microbianas en el proceso de biorremediación

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La biorremediación utiliza la capacidad natural de los organismos comobacterias, hongos, levaduras o plantas que acumulan o degradan loselementos toxicos en el ambiente.

BIORREMEDIACION


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Los sistemas de biorremediacion consisten principalmente en el uso demicroorganismos naturales (Levaduras, hongos o bacterias) existentesen el medio ambiente para descomponer o degradar sustanciaspeligrosas en sustancias de carácter menos tóxico o bien inocuas para

BIORREMEDIACION

p g pel medio ambiente y la salud humana.


Derrame de petróleo

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BIORREMEDIACIONLa biorremediacion o medidas biocorrectivas se han venido utilizandoen la descontaminación de suelos y aguas contaminadas conhidrocarburos desde Hace muchos años con bastante exito.

ESTAS TECNICAS BIOLOGICAS PUEDEN SERDE TIPO:

1) AEROBICO ( EN PRESENCIA DE OXIGENO) O

2) ANAEROBICO (EN AUSENCIA DEOXIGENO)


OXIGENO)

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EXISTEN TRES TIPOS DE BIORREMEDIACION DE TIPO AEROBICO:

TIPOS DE BIORREMEDIACION

BIOVENTING – Ventilación forzada del aire en el suelo.

BIOPILAS – Compostaje de suelos


ATENUACIÓN NATURAL – Biorrecu-peración natural del suelo.

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Estos sistemas de descontaminación se basan en la digestión de las sustanciasorgánicas por los microorganismos, de la cual obtienen la fuente de carbononecesaria para el crecimiento de sus células y una fuente de energía para llevar acabo todas las funciones metabólicas que necesitan sus células para su


cabo todas las funciones metabólicas que necesitan sus células para sucrecimiento.

Para que estos procesos metabólicos se lleven a cabo, y puedan ser utilizados como una técnica remediativa, será

necesario que existan en el medio unas di i fí i í i ó ti En general se necesitará la existencia


condiciones físico-químicas óptimas. En general, se necesitará la existencia de determinadas poblaciones de

microorganismos autóctonoscapaces de utilizar los hidrocarburos como fuente nutricional y de energía.

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Para el diseño de estos sistemas de tratamiento se llevan a cabo varias etapas de trabajo:

– Investigación y caracterización de la contaminación

– Análisis y elección de las medidas biocorrectivas

– Evaluación de la efectividad del sistema elegido

– Diseño y evaluación del sistema

– Evaluación del control y seguimiento


y g

– Análisis e interpretación de resultados

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La técnica del bioventing es un tratamiento de biorrecuperación de tipo “in situ”,consistente en la ventilación forzada del suelo mediante la inyección a presión

BIOVENTING O INYECCION DE AIRE

de oxígeno (aire) en la zona no saturada del suelo a través de pozos deinyección.

Debido a la aireación del suelo se va a favorecer la degradación de los hidrocarburos por dos motivos:

- Por volatilización, facilitando la migración de la fase volátil de de los contaminantes y


- Por biodegradación, ya que al incrementar la oxigenación delsuelo se va a estimular la actividad bacteriana.

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Los factores a tener en cuenta en la aplicación del bioventing o inyección de aire naturalson:


– Se degradarán más fácilmente las moléculas más pequeñas (hasta C20), siendo másfácilmente biodegradables los compuestos parafinados o de cadena lineal que loscompuestos aromáticos. En general, son favorables los compuestos de alta volatilidad(presión de vapor mayor de 10 mm de Hg a 20ºC).

– Los suelos deben contener bajos contenidos en arcilla y ser lo más homogéneamenteposible, con un valor de permeabilidad al aire adecuado (> 10-10 cm2).

– El principal problema es la biodisponibilidad de los microorganismos. Cuanto menor


es la solubilidad de los contaminantes menor será la biodisponibilidad.

– Los aportes de oxígeno deben ser suficientes, así como la existencia de fuentes decarbono, aceptores de electrones y energía suficientes

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• No debe existir producto libre en flotación sobre el nivel freático.


• Deben existir unas condiciones óptimas de pH (6 y 8), dehumedad (12-30% en peso), potencial redox mayor de -50mV, temperatura entre 0 y 40 ºC y los nutrientes del sueloen relación N:P de 10:1.

• Necesidad de tiempos de actuación cortos (meses) y coste


• Necesidad de tiempos de actuación cortos (meses) y coste medio-alto.

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A continuación hay un esquema que ilustra un ejemplo de biorremediación in situ deun acuífero contaminado por hidrocarburos.



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Biorremediación in-situ: se intenta acelerar el proceso en elmismo ambiente modificando las condiciones ambientaleso por inoculación microbiana


o por inoculación microbiana.


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Biorremediación in situWater

NutrientsMixer

Water recycle NutrientsSolutionSolution

Preparation

Ground surface

ContaminatedSoil

NutrientSolution Flow


SubmersiblePump

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La técnica de biopilas es un tratamiento de biorrecuperación de tipo “ex situ”

La técnica consiste en la formación de pilas de material biodegradable de

BIOPILAS

dimensiones variables, formadas por suelo contaminado y materia orgánica(compost) en condiciones favorables para el desarrollo de los procesos debiodegradación de los contaminantes.

Estas pilas de compost pueden ser aireadas de forma activa, volteando la pila, o bien de forma pasiva, mediante tubos perforados de aireación.


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Entre los factores que influyen en la aplicación de las biopilas destacan:

• Los hidrocarburos deben ser no halogenados y deben encontrarse en el sueloen concentraciones menores a 50 000 ppm

BIOPILAS

en concentraciones menores a 50.000 ppm.

• Dada la necesidad de excavación y posterior depósito del suelo contaminado,se requiere una superficie de trabajo relativamente grande cuyas dimensionesdependen del volumen de suelo a tratar.

• Necesidad de una densidad de poblaciones microbianas (>1.000 CFU/gramode suelo), condiciones de humedad (40-85% de capacidad de campo),temperatura (10 y 45ºC), textura (baja proporción de arcillas), pH del suelo


p ( y ), ( j p p ), padecuados (6 y 8) y baja presencia de metales pesados (< 2.500 ppm).

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L t ió d t i t l l l d C N P

Entre los factores que influyen en la aplicación de las biopilas destacan:

(continuación)

BIOPILAS

– La concentración de nutrientes en el suelo cuyo rango normal de C:N:P seade 100:10:1.

– El tiempo de actuación puede ser alto (meses a años) y el costo bajo.


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Su característica principal es la utilización de los procesos físico-químicos de interacción contaminante-suelo y los procesos debiodegradación que tienen lugar de forma natural en el medio.

ATENUACION NATURAL

Estos procesos se conocen como procesos de biotransformaciónnatural.


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Biorremediación intrínseca: Se deja que el propio ambiente natural resuelva elproblema si se determina que en el propio ambiente hay las poblaciones y condiciones

También se conoce como:

ATENUACION NATURAL

optimas( temperatura, pH, nutrientes etc...). Aún así se sigue un control paraasegurarse que no se producen compuestos tóxicos secundarios. A continuación semuestra una figura que esquematiza los procesos de degradación intrínseca quedispone el ambiente:

Evaporación

EmulsificaciónFotooxidación

SpreadingInteracción de partículas finas

Biodegradación


Adsorción ypenetración

MigraciónBiodegradación

Dispersión

Disolución

Sedimentación

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Los procesos de biotransformación natural son aquellos que van areducir la concentración de los contaminantes y entre los que seencuentran la dilución dispersión volatilización adsorción

ATENUACION NATURAL

encuentran la dilución, dispersión, volatilización, adsorción,biodegradación y aquellas reacciones químicas que se producen enel suelo o en el agua y que contribuyen de alguna forma a ladisminución de la contaminación.

Esta técnica se aplica en aquellos casos en los que existacontaminación tanto en suelos como aguas subterráneas producida

hid b d ti h l d h l d


por hidrocarburos de tipo halogenado o no halogenado.

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Entre los factores que influyen en la eficacia y viabilidad de la atenuaciónnatural se destacan:

– La exigencia de protección y el riesgo de los potenciales receptores durante el

ATENUACION NATURAL

tiempo que dura la atenuación.

– La existencia de unas condiciones geológicas y geoquímicas favorables.

– Las necesidades de reducción de la masa contaminante en un intervalorazonable de tiempo (meses a años), tanto en la superficie del suelo como enla zona más subsuperficial del mismo, así como de la calidad de las aguassubterráneas.


– Confirmación de la existencia de los tipos y número de poblaciones demicroorganismos que puedan biodegradar los contaminantes.

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Entre los factores que influyen en la eficacia y viabilidad de laatenuación natural se destacan: (continuación)

ATENUACION NATURAL

• Producción y conservación en el medio de subproductos de carácter persistenteo más tóxicos que los iniciales, durante y después de la atenuación natural.

• No existencia de producto libre en flotación sobre el nivel freático.

• Para condiciones aerobias la condición ambiental óptima de concentración deoxígeno disuelto en el agua debe ser superior a 0,5 mg/l.


• La concentración de los compuestos utilizados como aceptores de electronesencondiciones anaerobias debe ser superior a 0,21 mg/l para nitratos, la deFe3+para que pueda ser reducido a Fe2+ debe ser superior a 21,8 mg/l y la desulfatos mayor de 0,21 mg/l.

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Entre los factores que influyen en la eficacia y viabilidad de la atenuación natural se destacan: (continuación)

ATENUACION NATURAL

El potencial redox debe estar situado entre un rango de -400 y 800 mV.

Existencia de un coeficiente de retardo favorable para que se produzcan losfenómenos de sorción con suficiente eficacia.

Que se produzca una dilución suficiente para que la concentración se veadisminuida aguas abajo del foco contaminante.


La dispersión de los contaminantes aguas abajo del foco y en la dirección de flujodebe ser adecuada para que exista una mayor disponibilidad proporción entre loscontaminantes y los aceptores de electrones.

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FUNDAMENTO BIOQUIMICO DE LABIODEGRADACION

El fundamento bioquímico de la biorremediación se basa en que en lad i t i t t d d l t d l él lcadena respiratoria, o transportadora de electrones de las células, se

van a producir una serie de reacciones de óxido-reducción cuyo fines la obtención de energía.

La cadena la inicia un sustrato orgánico (compuestoshidrocarburados) que es externo a la célula y que actúa como dador


de electrones, de modo que la actividad metabólica de la célulaacaba degradando y consumiendo dicha sustancia.

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Los aceptores más comúnmente utilizados por los microorganismos son el oxígeno, losnitratos, el hierro (III), los sulfatos y el dióxido de carbono.


Cuando el oxígeno es utilizado como aceptor de electrones la respiraciónmicrobiana se produce en condiciones aerobias, y los procesos debiodegradación serán de tipo;

sin embargo, si utiliza los sulfatos o el dióxido de carbono se produce en condicionesreductoras o anaerobias, y los procesos de biodegradación serán de tipo anaerobio.


Degradación aerobia:Sustrato + O2 biomasa + CO2 + H2O

Degradación anaerobia:Sustrato + (NO3-, SO4

2-, Fe3+, Mn4+, CO2) Biomasa + CO2 + (N2, Mn2+, S2+, Fe2+, CH4)

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La concentración y composición de la comunidad microbiana y la tasa de transformación de contaminantes está influenciada

por diversos factores:


1.- NECESIDAD DE NUTRIENTES. Los nutrientes necesarios para eldesarrollo de los microbios son el fósforo y el nitrógeno. Por logeneral suelen estar presentes en el suelo en cantidades suficientes,si no los hay es necesario añadirlos al suelo.

2.- pH DEL SUELO. El crecimiento de la mayoría de losmicroorganismos es máximo dentro de un intervalo de pH entre 6 y


8.

3.- TEMPERATURA. Generalmente las bacterias y los hongos crecenbien a temperaturas entre los 15 y los 45 oC. Decreciendo atemperaturas por encima de los 45 o inferiores o inhibiéndose atemperaturas inferiores a los O oC.

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4.- HUMEDAD : Los microorganismos requieren unas condicionesmínimas de humedad para su desarrollo. Un exceso de humedadpuede reduce la concentración de oxígeno en el suelo inhibiendo el


puede reduce la concentración de oxígeno en el suelo inhibiendo elcrecimiento bacteriano.

5.- ESTRUCTURA QUIMICA DEL HIDROCARBURO. Los factores quemás afectan son la existencia de ramificaciones, la poca solubilidad enel agua y la carga atómica.


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Al estudiar la biorremediación hay que tener en cuenta otros factores que puedan influir

en el rendimiento

FACTORES LIMITANTES EN LA BIORREDIACION

Es decir no sirve de nada tener una cepa maravillosa con una altaeficiencia degradadora y que conozcamos muy bien su regulación si hayfactores que limiten su verdadera potencialidad degradadora.

Por lo tanto a parte de la eficiencia de las rutas catabólicas y los procesosmicrobianos de re mineralización hay que tener en cuenta que la etapa


microbianos de re-mineralización hay que tener en cuenta que la etapalimitante de la biodegradación o detoxificación de la mayoría decompuestos en el medio ambiente se relacionan con la biodisponibilidad.

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Por eso en este capítulo vamos a tratar dos características microbianas quepueden aumentar esta biodisponibilidad y podrían ser utilizadas en técnicasd bi di ió

FACTORES LIMITANTES EN LA BIORREDIACION

de biorremediación.

1.- PRODUCCIÓN DE BIOSURFACTANTES

2.- PAPEL DE LA QUIMIOTAXIS

Es evidente que si el sustrato no es disponible para la célula esta no lo podrá utilizar


q p p pcomo sustrato y desgraciadamente esto es lo que sucede con los hidrocarburos queson altamente insolubles en agua o pueden hacer uniones hidrofóbicas consubstratos ( rocas) haciendo difícil su eliminación.

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Como hemos dicho los hidrocarburos son moléculas muy hidrofóbicas queforman micelas entre ellas altamente insolubles en agua. Esto hace que lasuperficie de actuación que tienen los microorganismos disminuya mucho, por

PRODUCCION DE BIOSURFACTANTES

lo tanto disminuye la biodisponibilidad del sustrato.

Y es que un paso esencial en la degradación de hidrocarburos es que estosentren en contacto directo con la membrana para que sea interiorizado ypuedan actuar las oxigenasas.

Por eso dentro de la versatilidad microbiana no es sorprendente que


Por eso dentro de la versatilidad microbiana no es sorprendente quealgunos microorganismos puedan producir una gran variedad de moléculasemulsionantes (biosurfactantes) que como se ha demostrado estimula elcrecimiento de estas bacterias degradadoras acelerando por tanto labiorremediación.

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La función principal de estos biosurfactantes son:

• Reducir las tensiones entre fases ( agua roca por

PRODUCCION DE BIOSURFACTANTES

• Reducir las tensiones entre-fases ( agua-roca por ejemplo).

• Dispersar el petróleo aumentando la superficie de contacto

• Aumentan la biodisponibilidad de compuestos hidrofóbicos.

• También tiene funciones evolutivas para los


• También tiene funciones evolutivas para los propiosmicroorganismos.

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La quimiotaxis es la habilidad que tienen algunos microorganismos flagelados paradetectar y responder a compuestos ambientales. Su respuesta puede ser positiva si sedirige hacia el estímulo (presencia de alimento) negativa si se aleja del estímulo(sustancias tóxicas o desagradables)

QUIMIOTAXIS

(sustancias tóxicas o desagradables).

la razón mas obvia es que estas cepas serán capaces de entrar en contacto con elcompuesto a degradar reduciendo problemas de biodisponibilidad

En que aspectos podría la quimiotaxis acelerar el proceso de biorremediación……


compuesto a degradar reduciendo problemas de biodisponibilidad.

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Principales microorganismos degradadores de petróleo• Todos los ecosistemas acuáticos y marinos contiene n algún tipo de microorganismo

degradadores de petróleo.

Bacterias:AchrormobacterAcinetobacter

LactobacilusLeumthrix

Hongos:AllescheriaAspergillus

OidiodendrumPaecylomyses

ActinomycesAeromonasAlcaligenesArthrobacterBasilusBeneckeaBrevebacteriumCoryneformsErwinia

MoraxellaNocardiaPeptococcusPseudomonasSarcinaSpherotilusSprillumStreptomycesVibrio

p gAureobasidiumBotrytisCandidaCephalosporiumCladosporiumCunninghamellaDebaromycesFusariumGonytrichum

y yPhialophoraPenicillumRhodotorulaSaccharomycesSaccharomycopisisScopulariopsisSporobolomycesTorulopsisTrichoderma


FlavobabacteriumKlebsiella

Xanthomycesy

HelminthosporiumMucor

Trichosporon

•Sú cantidad y diversidad depende de la exposición de las aguas a los HC.•Velocidad de degradación:HC saurados > aromáticos ligeros > aromáticos de alto PM > asfaltenos, resinas.

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Ventajas y desventajas de la bioremediación

• Generalmente solo origina cambios físicos menores sobre el medio

Ventajas:

Generalmente solo origina cambios físicos menores sobre el medio.

• Cuando se usa correctamente no produce efectos adversos significativos.

• Pueden ser útil para retirar algunos de los compuestos tóxicos del petróleo.

• Ofrece una solución mas simple y completa que las tecnologías mecánicas.

• Menos costosa que otras tecnologías.


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Ventajas y desventajas de la bioremediación

• Para muchos tipos de vertidos su efectividad no ha sido determinada

Desventajas:

Para muchos tipos de vertidos su efectividad no ha sido determinada.

• Muy difícil aplicación en el mar.

• Tiempo necesario para actuación es largo.

• Su implementación es específica para cada lugar contaminado.

• Su optimización requiere información sustancial acerca del lugar contaminado y lascaracterísticas del vertido.


características del vertido.

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Principales características de los métodos de bíorremediación

• Aplicado para superar la principal limitación sobre la velocidad de la biodegradación

Adición de Nutrientes:

Aplicado para superar la principal limitación sobre la velocidad de la biodegradaciónnatural de petróleo.

• De los tres métodos de biorremediación, ha sido el más estudiado, y actualmente sepresenta como el de más factible aplicación para la mayoría de vertidos.

• No hay indicios de que la fertilización origine aumento en la población de algas uotros impacto significativo adverso.


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Principales características de los métodos de bíorremediación

• Aplicado para aprovechar la ventaja de las especies de microorganismo mas

Inoculación:

Aplicado para aprovechar la ventaja de las especies de microorganismo maseficientes en la degradación de petróleo.

• Los resultados de pruebas de campo, no han sido concluyentes.

Uso de Microorganismos Modificados Gentecamente

• Probablemente no es necesario en la mayoría de los casos debido a la ampliavariedad de microorganismos naturales


variedad de microorganismos naturales.

• Uso potencial para degradar componentes de petróleo que son degradados pormicroorganismos no modificados.

• Su desarrollo y utilización debe afrontar importantes restricciones legales.

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Factores que afectan la biodegradación del petróleo

• Rango de temp: -2 — 35 ºC.• Menor degradación a menor temperatura -2 5 ºC; la vel. de

degradación disminuye 10 veces.

Temperatura:

g y• Menor volatilidad, mayor viscosidad.

• Su disponibilidad no suele ser limitante en ambientes marinos.• La biodegradación aerobia es mucho mayor que la anaerobia.• Depende de su ubicación en el ambiente marino, por ejemplo es

mucho menor en sedimentos, playas de baja energía, etc.

• Su disponibilidad suele ser mas limitante que la de O2.

• La mayoría de los ambientes marinos son deficientes en algunos

Oxígeno:

Nutrientes:


nutrientes esenciales como N, P o Fe.• Relación C/N/P necesaria 120:10:1.

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Microorganismos útiles en biorremediacióngéneros más comunes de bacterias y hongos

Petróleo: Pseudomonas, Proteus, Bacillus, Penicillium, Cunninghamella

Aromáticos: Pseudomonas Achromobacter Aromáticos: Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus, Arthrobacter, Penicillium, Aspergillus,

Fusarium, Phanerocheate

Cadmio: Staphylococcus, Bacillus , Pseudomonas, Citrobacter,

Klebsiella, Rhodococcus

Azufre: Thiobacillus


Cromo: Alcaligenes, Pseudomonas

Cobre: Escherichia, Pseudomonas

Hongos en color verde

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Fotografía: Consorcio bacteriano degradandoun mezcla de hidrocarburos.

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En la foto de la derecha se muestra un cepa bacteriana rodeando ydegradando una gotícula de hidrocarburo (gasoil). Nótese laimportancia de la interfase y el cambio de color que denota laproducción de biosurfactante.


A la izquierda, degradación por parte de un consorcio microbiano deuna mezcla de hidrocarburos similar a la vertida por el Prestige. Deabajo arriba: (1) Medio ocuoso con algunas bacterias libres; (2)emulsión aguahidrocarburos alifáticos y aromáticos con bacterias en suinterior; (3) “fibras complejas” (posibles estructuras mecelares deasfaltenos y resinas) en el inicio de su degradación.

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Las plantas pueden usarse para eliminar contaminación por nitrógeno

en agua y aire Los árboles pueden absorber el exceso de nitrógeno

(NO3-) presente en las napas de agua del subsuelo.

Arabidopsis thaliana puede captar el N2O del aire eincorporarlo en aminoácidos.


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Efluentes del drenaje ácido de explotaciones mineras

(el más importante)

Minas de carbón y oro exponen a la atmósfera Minas de carbón y oro exponen a la atmósferametales tóxicos que son oxidados por bacterias

La pirita derivada de minas de carbón esoxidada por Thiobacillus ferrooxidans a:

FeS2 + 15/4 O2 + 7/2 H2O = Fe(OH)3 + 2H+ + 2HSO4-


El efluente producido es altamente tóxicoya que también contiene metales quecontaminan las aguas y matan las formasde vida acuática.

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Estrategias de biorremediación de contaminación con metales

Fitorremediación.

Pozos de inyección de acetato como dador deelectrones para estimular a las bacterias a reducir losmetales.

Tierras inundadas para crear las condicionesanaerobias necesarias para la reducción microbiana


anaerobias necesarias para la reducción microbiana.

Los metales reducidos precipitan y son eliminadosde las aguas.

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Procesos biológicos

• Aerobios (O2 aceptor de electrones)• Anóxicos (NO3

- aceptor de electrones)• Sulfato reducción (SO4

2- )• Anaerobios• Microaerofílicos• Facultativos

Microorganismos en suspensión


Microorganismos adheridos

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Producción de BIOCOMBUSTIBLE la bacteria S. degradansha llevado aun proceso que puede hacer etanol y otrosbiocombustibles de muchas diferentes tipos de plantas y defuentes celulósicas, por Univ. de Maryland. Hay bacteriasmesófilas tales como Zymmonas mobilis y E colimesófilas tales como Zymmonas mobilis y E. colirecombinanten así como otras termofilas que producen etanol.

En BIORENEDIACION DE SUELOS se usa la habilidad demicrobios, plantas o sus enzimas para degradar ydescontaminar distintos compuestos en suelos y tierras denaturaleza urbana e industial.


En los países en desarrollo, hay dos tipos principales decontaminación que amenazan la salud humana: Desechosorgánicos y Metales pesados (plomo, mercurio, cadmio).

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Bioacumulación o bioadsorción, utilizan las biomasas, vivaso muertas, con origen en distintós tipos de microorganismos,para la descontaminación de efluentes líquidos cargados enmetales pesados. Son técnicas complementarias a atráscomúnmente usadas como la precipitación química decomúnmente usadas como la precipitación química dehidróxidos y de sales metálicas de naturaleza varia.


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METALES PESADOS

No pueden ser degradados

Pueden se transformados


• Cambios a especies de distinta solubilidad• Cambios en los estados de ovifación• Entre especies inorgánicas y orgánicas

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Biosorción

N t bóli

Precipitación

•No metabólico

(no viables o

sin sustrato)

•Rápido

•Reversible

•Baja E activación


Adsorción

física

ComplejaciónIntercambio

iónico

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Biosorción

Precipitación

•Metabólico

(viable y

con

sustrato)

•Lento

SUPERFICIECELULAR

EXTRACELULAR

METABOLICO


Lento

•Irreversible

•Alta E activación

INTRACELULARTransporte a

Través de menbranas

BIOACUMULACIÖN

SUSTRATO

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enlace (1,4)

O

H

OHO

H

NHHO

OH

O

H

HO

H

NHH

H3CH

O

H

OHO

H

HO

OH

Quitosano

• Principal derivado de quitina

Copolímero [ -(1,4)-2-amino-2-deoxi-D-glucopiranosa + -(1,4)-2acetamido-2-deoxi-D-glucopiranosa]

HNH2

H

H

O

H

HOH H NH2

H

H

D D A


• Principal derivado de quitina• Biodegradable• Biocompatible• Filmogénico• Antifúngico• Bactericida

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Aplicaciones del QuitosanoAgricultura: Bioestimulante, control biológico de plagas, recubrimiento

de semillas, etc.

Alimentación: Floculante de proteínas y lípidos; películas de protecciónAlimentación: Floculante de proteínas y lípidos; películas de protecciónpara frutas y hortalizas; agente antimicrobiano.

Biotecnología: Tratamiento de efluentes, biorremediación de suelos,inmovilización de enzimas y células, membranas

Biomédicas: Sistemas de liberación controlada, suplementos dietarios,coadyuvante de cicatrización hilos quirúrgicos


coadyuvante de cicatrización, hilos quirúrgicos

Cosméticas: Productos para el cabello, cremas.

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BIOPRECIPITACION

Bacterias sulfato-reductoras

OHCOOHCSSOOHC 2224222

4363


OHCOOHCSSOOHC 222424363

nn

nn

SMSM

OHMOHnM

42

)(

64

BIOPRECIPITACION

2

42

M HPOMHPO

glicerolHPOfosfatoglicerol fosfatasa

42

4 MeHPOMeHPO

Fosfatasa: activa entre 2 y 45 ºC; pH: 4,5 y 8,5;Tolera altas concentraciones de metales

;58)( yHPOZr


4

42

24 ;5,8)(

CdHPO

HPOUO

yHPOZr

33


[email protected]

65


Bacteria con incrustaciones de fosfato de uranillo

Bacteria cubierta de precipitados

de fosfato de uranillo

66


34


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67

Ventajas del tratamiento biológico deResiduós Mineros y Metakes Pesados:

•Bajo coste de tratamiento.•Tratamiento in situ, no hay gasto de transporte.•Reducción y eliminación de subproductos finales.• Eliminación de un costoso equipamiento y atención

frecuentes del operador.•Eliminación de un seguimiento a perpetuidad.

El tratamiento biológico es efectivo para los siguientes residuos:• Pila rellena de lixiviados mineros.• Faltas de la mina.• Proceso de molido y corrientes de cola.La depuración biológica es más rápida, más barata, y más efectivaque otros métodos. Ventajas:


1. Corto tiempo de tratamiento.2. Tratamiento in-situ.3. Desintoxicación completa.4. Fin de una responsabilidad a largo plazo. ELIMINACION.5. Permite una revegetación natural.6. Nutrientes, subproductos y productos finales naturales y no tóxicos.

68

Biorremediación de metales en lixiviados mineros

VENTAJAS: Bajo coste global de todo el tratamiento.Potencial para aumentar la recuperación de oro .

DATOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICODATOS DEL TRATAMIENTO BIOLÓGICO

Cianuros de WADCianuros TotalesNitratosCobreZincNíquelHi

Solución de Lixiviados

mg/1242284321500.021.651 57

Después del tratamiento

Biológico mg/144570,8530

0,752 23


HierroPlataArsénicoSelenioMercurioCadmioCobalto

1.570.88

0.3320.2550.1790.0510.158

2,230,0150,0470,0850,0050,0020,06

35


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69

Descontaminación de Pb

Uso de la biomasa microbiana en albioadsorción de metales pesados y empleode las mismas en sistemas de biofiltrossumergidos.


70

Solución de metales

Biomasa microbiana(o productos derivados y excretaos)

viva, muera,libra, unicelular inmovilizada,

Películas filamentosas, agregados, RecirculaciónRegeneración de biomasa g gtrozos(pellets)

Descargar decontaminada

Biomasa cargada e metal ( o precipitados y complejos de metal)

o productos

Recuperación no destructiva Recuperación destructiva


Metal Metal

Figura 2. Principios básicos involucrados en la eliminación de metales de solucionesocuosas por biomasa microbiana o productos derivados. Tomada de Gadd, 198819.

36


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71

2. Aspectos Electroquímicos de la Cementación de Metales


72

Desde un punto de vista electroquímico, es la substitución de unión metálico (M+) con un metal menos noble (Me).

Me(s) + M+(aq) = Me+(aq) + M(s)Me(s) + M (aq) = Me (aq) + M(s)

La eficiencia de este proceso depende de la diferencia denobleza de los metales.


Este proceso consiste en la reducción espontánea de los ionesde un metal por otro metal ubicado bajo este en la serieelectromotriz.

37


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73

Los electrodos son superficies sobre las que tienen lugar lassemi-reacciones de oxidación y de reducción. Pueden o noparticipar en las reacciones. Aquellos que no reaccionan sellaman electrodos inertes. Hay electrodos sólidos como Zn, Cu,Pt Ag líquidos como el Hg y gaseosos como el electrodo dePt, Ag, líquidos como el Hg, y gaseosos como el electrodo deH2.

Independientemente del tipo de celda (electrolítica o galvánica)los electrodos se identifican de la manera siguiente. Por loselectrodos entra y sale la corriente eléctrica.


El cátodo es el electrodo en el que tiene lugar la reducción.El ánodo es el electrodo en el que tiene lugar la oxidación.

CROA (cátodo: reducción; oxidación en el ánodo)

74

Potenciales estándar de electrodo (potenciales estándar de reducción)

Es imposible medir el potencial de un solo electrodo, pero si arbitrariamente se asigna el valor cero al potencial de un electrodo particular, este se puede usar para determinar los potenciales relativos de otros electrodos. El electrodo que se toma como referencia es el l t d l d hid (ENH)electrodo normal de hidrogeno (ENH).

El electrodo normal de hidrogeno se compone de un alambre de platino (Pt) conectado a una hoja de platino cubierta de platino finamente dividido. El electrodo está encerrado en un tubo de vidrio de modo que se pueda burbujear H2 (g) sobre el platino.Burbujea hidrogeno gaseoso con una presión parcial de 1 atm en una disolución de HCl1 M a 25°C, es decir en condiciones estándar.

El ENH EEH ( l t d tá d d hid ) d t át d


El ENH o EEH (electrodo estándar de hidrogeno) puede actuar como cátodo o como ánodo.

Cátodo: 2H+ (ac, 1 M) +2e- H2 (g, 1 atm) E° = 0,00 V.Ánodo: H2 (g, 1 atm) 2H+ (ac, 1 M) + 2e- E° = 0,00 V.

E°: potencial estándar de reducción.

38


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75

H gaseoso2

a 1 atm

H gaseoso2

a 1 atm

Puente salinoZn

Voltímetro

e- e- e- e-Voltímetro

Puente salinoCu

El ENH se puede utilizar para medir los potenciales de otros electrodos. El potencialnormal de hidrogeno se utiliza para determinar el potencial normal de cualquier

Electodo de Pt

Electrodo de hidrógeno Electrodo de CuElectrodo de hidrógenoElectrodo de zinc

Electodo de Pt


hemicelda, o potencial normal de electrodo E°.

Se define como potencial normal de electrodo, al voltaje medido en condicionesnormales de una hemicelda o electrodo, teniendo como referencia el electrodonormal de hidrogeno

76

SERIE ELECTROMOTRIZ O DE ACTIVIDAD DE LOS ELEMENTOS.

Al medir los potenciales de otros electrodos normales al ENH en la forma indicada,puede establecerse una serie de potenciales de electrodo.

Si los electrodos constan de metales o no metales en contacto con sus iones la serieSi los electrodos constan de metales o no metales en contacto con sus iones, la serieque resulta se denomina serie electromotriz o de actividad de los elementos.

Eº significa potencial estándar, es decir, aquel que se mide a 25 ºC, 1 atm de presión yconcentración unidad.Por convenio, los potenciales normales de electrodo se tabulan como semirreaccionesde reducción e indican la tendencia de los electrodos a comportarse como cátodosfrente al ENH. Los que tienen valores de Eº positivos, para la semirreacción dereducción, se comportan, en práctica, como cátodos frente al ENH, mientras que losque tienen valores de Eº negativos para las semirreacciones de reducción se


que tienen valores de E negativos para las semirreacciones de reducción, secomportan de hecho como ánodos frente al ENH. En otras palabras, CUANTO MASPOSITIVO SEA EL VALOR DE Eº DE UNA SEMIRREACCIÓN, MAYOR SERÁ LATENDENCIA A QUE DICHA SEMIRREACCIÓN SE PRODUZCA EN LA DIRECCIÓNEN QUE ESTÁ ESCRITA. Igualmente, cuanto mas negativo sea el valor de Eº de lareacción, mayor será la tendencia a que la reacción se produzca en sentido contrario acomo está escrita.

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77

SERIE ELECTROMOTRIZReacción en Equilibrio

NOBLE

AU+2 + 2e = Au

½ O2 + 2 2H+ 2e — = Pt

Pt+2 + 2e — = Pt

E° H (volts)

+1.7

+1.2

+ 1.23

Ag+1 + 1e = Ag

Cu+2 + 2e — = Cu

2H+ + 2e — = H2

NI+2 + 2e — = Ni

Fe+2 + 2e ¯= Fe

Cr+3 + 3e ¯= Cr

+0.80

+ 0.34

+ 0.00 (por definición)

-0.13

- 0.44

- 0.70


BASE

Zn+2 + 2e ¯= Zn

AI+3 + 3e ¯= AI

- 0.76

- 1.66

78

EMPLEO DE LA SERIE ELECTROMOTRIZ.Esta serie puede utilizarse en muchas formas.

Una aplicación inmediata es la determinación de la espontaneidad de las reaccionesredox.

Los potenciales normales pueden emplearse para determinar la espontaneidad de lasreacciones redox en general. Otra aplicación inmediata es el cálculo de potenciales quese pueden obtener por la combinación adecuada de dos semirreacciones.

Ejemplo:

En un vaso de precipitado que contiene una solución de CuSO4 (ac) 1,0 M, se introduceun clavo de hierro metálico. En otro vaso de precipitado que contiene una solución 1 Md F SO ( ) i t d lá i d C S b á d i ió d C


de FeSO4 (ac) se introduce una lámina de Cu. ¿Se observará deposición de Cumetálico sobre el clavo de Fe o de Fe metálico sobre la lámina de Cu?

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79

Respuesta:La solución de CuSO4 proporciona iones de Cu+2, de modo que si éste se deposita enel alambre de hierro, este se debe reducir superficialmente de acuerdo a:

Cu+2 + Fe (s) → Cu (s) + Fe+2

Separando ambas semirreacciones y obteniendo sus potenciales estándar de la tablase tiene:

2 e. + Cu+2 → Cu Eº = 0,337 Volt

Cu+2 + Fe → Cu + Fe+2 Eº = 0 777 Volts

Fe → Fe+2 + 2 e. Eº =,440 Volts


Este sistema es el sistema de cementación de cobre con hierro.

Cu+2 + Fe → Cu + Fe+2 Eºpila = 0,777 Volts

FedelSuperficielaenMetálicoCudepositasefavorecidareacciónG ,,0Δ;0E

80

Resumen: Cementación de Metales

La cementación es una técnica de precipitación de metalesdesde una solución acuosa.

Su carácter es netamente electroquímico aunque su reacciónSu carácter es netamente electroquímico, aunque su reacciónglobal se puede escribir de forma de una reacción química.

Actualmente, su principal aplicación es para la separación demetales tales como: Cu, Zn, Co y Ni.


Como medio cementante se puede utuilizar cualquier metalmenos noble que aquel que se encuentra disuelto en elefluente.

41


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81

3. Precipitación Selectiva de Metales. Uso de H2.


82

Entre las diversas técnicas de precipitación química de metalesdesde soluciones acuosas, se encuentra la precipitación conhidrógeno.

La reacción global de precipitación para esta técnica es:

Me2+ + H2 = Me° + 2 H+

Al igual que la reacción de cementación, esta se puededesglosar en 2 semireacciones electroquímicas:


Reacción catódica: Me2+ +2e = Me°

Reacción anódica: H2 = 2H+ + 2e

42


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83

Cada una de estas semireacciones tendrá su propio potencialestándar de reducción (posible de obtener desde la serieelectromotriz).

Dado que la reacción anódica libera 2 electrones entonces esDado que la reacción anódica libera 2 electrones, entonces esposible reducir preferentemente aquellos iones metálicos que tienenestado de oxidación 2+.

Por ello con esta técnica es posible precipitar metales tales como: Ni,Zn, Cd y otros.


Pero, ante la presencia de diversos iones metálicos en unefluente acuoso, ¿es posible precipitar selectivamente cada unode estos metales?

84

Para responder la pregunta anterior, es necesario revisar algunos otros aspectos deelectroquímica, específicamente acerca de espontaneidad de las reacciones y la utilidadde la ecuación de Nernst.

En primer lugar, es necesario identificar las reacciones de reducción de los diversosmetales presentes en forma iónica en el efluente acuoso. Para esto solo basta ir a la serieelectromotriz e identificar el potencial estándar de reducción característico para cadaelectromotriz e identificar el potencial estándar de reducción característico para cadasistema. El potencial de la reacción del hidrógeno es por convención de 0,0 V.

En electroquímica, la unión de dos semireacciones se denomina pila o celda galvánica, laocurrencia de la reacción global de celda depende de lo que se denomina F.E.M, “FuerzaElectromotriz”.

La FEM también se denomina potencial de celda.


43


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85

FUERZA ELECTROMOTRIZ DE UNA PILA

Es la suma de las variaciones de la potencia que se producen en los doselectrodos.

o sea

peroV


86

También, es posible demostrar que el potencial está relacionado con el cambiode energía de la reacción:

G = - nFE,

donde: n = es el número de moles de electrones puestos en juegoF = es 1 Faradio que equivale a una carga de 965 00 coulomb/mol.E = es el potencial de la reacción

por lo tanto tendremos que :

E G Tipo de reacción

no facorecida

equibrio favorecida

+-0 0+ -

d


Sabemos que si elpreceso es espontáneo

G < 0

G < 0 G > 0

> 0< 0

G yse puede

relacionar E de forma que

G = - n FE

por tantoreacción espontáneano es espontánea

Si ESi E

reacción

reacción

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87

RELACION ENTRE LA CONCENTRACION Y EL POTENCIAL DE CELDA. ECUACION DE NERNST

Desde el punto de vista cuantitativo, existe una relación matemática entre el potencial de una celda y la concentración de reactivos y productos de una reacción redox cuando ésta se realiza en condiciones no estándar . Es la Ecuación de Nernst

K) 298 (T Qn

log059,0

ΔE ΔE ] [Reactivos ] [Productos

log059,0

ΔE ΔE n

Esta ecuación nos permite encontrar la fem que produce la celda en condiciones noestándar (ΔE) en función de ΔE° (potencial estándar de celda) y de las concentraciones de


los reactivos y productos (expresados en Q). n son los moles de electrones transferidos ycorresponde al número de electrones que se cancela al combinar las dos reacciones demedia celda para obtener la reacción de celda. Esta ecuación también permite encontrarla concentración de reactivos y productos midiendo la fem de una celda.

88

Si aplicamos la Ecuación de Nernst a una reacción generalde precipitación con hidrógeno:

22Zn H Zn 2H

R T Concentración de los productosE E Ln

2

2

2H

2

E E Lnn F Concentración de los reac tan tes

HR TE E Ln

n F Zn p

HR T


2

2H

HR TE E 2,303 Log

n F Zn p

RE E

2

2 2H

T2,303 Log H Log Zn Log p

n F

45


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89

Si se considera una presión de H2 de 1 atm y que el pH = - Log [H+], tal como se puedever en el análisis en pizarra, el potencial de la reacción de precipitación se puedeexpresar en función del pH.

Cada reacción de precipitación tendrá una expresión diferente.

Pero como se sabe que una reacción será espontánea cuando DE es positivo, entoncestodas las expresiones se transforman en desigualdades.

Para determinar la posibilidad de precipitación selectiva en función del pH, se debenintersectar estas desigualdades y determinar el rango de pH en el cual se pueda soloprecipitar uno u otro metal.


90

4. Aspectos de Diseño en Sistemas de Intercambio Iónico(IX)


46


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91

Debido a la necesidad de mantener un balance de cargas

durante el proceso de intercambio iónico, es mas conveniente

expresar la concentración de iones como equivalentes en vez de

concentración molar.

Por ello se define:

C = concentración total de iones intercambiables en la fase líquida

(eq/L).


92

Es decir, el número total de equivalentes de cationes será:

∑ qi=m

i=l

+q i[C ] si

[ ] CatT eq i=

Y el número total de equivalentes de aniones será:

∑i=m

-t i


∑ ti=l

-t i[A ]s i[ ] AnionT eq i=

47


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93

Por ejemplo:

Si Ca2+ y Na+ son los únicos iones intercambiados.

C = [Na+] + 2[Ca2+]

= concentración total de sitios intercambiables en laresina. Esta es también conocida como “capacidad deintercambio” (eq/L de resina).


( q )

94

Ahora se puede definir “fracción equivalente” para cadaion en cada fase.


con similares definiciones para B.

48


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95

Para intercambio monovalente:


96


49


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97

Sustituyendo en la expresión de acción de masas:

Reordenando:


98

Para intercambio monovalente – divalente:


50


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99

En esta forma la ecuación entrega la cantidad adsorbida como

una función de la cantidad en solución.

Esta es muy utilizada en el diseño de procesos de IX.


100

Diseño de Intercambiadores iónicosGeneralmente, el diseño de intercambiadores iónicos incluye lo siguiente:

- Cantidad de material de intercambio.

- Cantidad de regenerante.

- Volumen del lecho de adsorbente.

- Intervalo de regeneración de lecho de adsobente.

- Retrolavado.

-Requerimientos de agua de lavado.

(*) La cantidad de material de intercambio determina las dimensiones del lecho.


Las soluciones de regeneración, retrolavado y lavado, pueden plantear problemas decontaminación.

51


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101

Comportamiento de un intercambiador = f (parámetros de diseño)

• Capacidad de intercambio (limitada).

• Cantidad de regenerante necesario.

El consumo de agua de lavado + 2 parámetros anteriores se determinan en ensayos de laboratorio.

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO

• Espresada eq/I resina, eq/ m2 resina, eq/kg resina (eq. lón separado)

• Utización resina = Cantidad de iones eliminados durante tratamiento/cantidad de iones que se eliminarían si la eficacia fuese 100%


102

CONSUMO DE REGENERANTE

• Expresada Kg regenerante/ m3 resina

• Eficacia de un regenerante = Cantidad iones eliminados durante la regeneración/cantidad de iones presentes en el volumen de regenerante utilizado.

Relación capacidad de intercambio Consumo de regenerante.Capacidad ↑ cuando Masa Regeneradora ↑ (Condición de regeneración se estableceen base a una balance económico). Frabicante suele entregar curvas defuncionamiento de los regenerantes.

CONSUMOS DE AGUA DE LAVADO

• Expresada en Iagua/I,resina(intervalo normal: 10-30 Iagua/I,resina)


• Permite eliminar el exceso de regenerante residual ( a veces indicado fabricante)

52


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103

Aspectos de diseño en Intercambio IónicoCantidad de Materiales de Intercambio.

CatTBedMass =([ ]CatT eq )( )( )Q tint 1000

24X

Q es el flujo en m3/d y tint es el intervalo de regeneración en horas.

24MX

ult

100024

( q∑ +qi[ ]C

MX

ult

=

i=mi=l i si

)( )( )Q tint


j y int g

Un valor de 8 horas es bastante adecuado.

El factor (1000/24) es usado para que las unidades sean en kilogramos

104

Por analogía, la masa para un intercambiador aniónico

AnionTBedMass =([ ]Anion

eq)( )( )Q tint 100024

MX

ult

Utilizando la densidad el lecho, p kg/m3, se puede calcular elvolumen de adsorbente, tanto catiónico como aniónico.

100024

M ult

( t∑ -l i[ ]A

MX

ult

=

i=mi=l i si

)( )( )Q tint


53


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105

CatTBedVol =

( q∑+q

i[C ]

MX

ult

i=mi=l i si

)( )( )Q tint

100024

( 1 )+ swell

( 1 )+ swell(∑ +q i[C ]i=m )( )( )Q t

P

AnionTBedVol =

MX

ult

MX

ult

100024

100024

( 1 )+ swell

( 1 )+ swell

( q∑ i[C ] i=l i si)( )( )Q tint

=

( t∑-t i[A ]

i=mi=l i s )( )( )Q tint

P

P


Swell = factor de inchamiento de la resina.

Este finalmente determina el tamaño final de la columna deintercambiador.

106

Cantidad de Regenerante

Si se conoce la cantidad de cationes removibles en gramos equivalentes por litro

i=m

Esta ecuación representa el regenerante requerido entreintervalos de regeneración.

CatRegenerant =1

24∑ q+q i

[C ] i=m

i=l

i si(R)( )( )Q tint


Por analogía:AnionRegenerant =

124∑ t

+t i[A ]

i=m

i=l

i si(R)( )( )Q tint

54


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107

Producción de efluentes

CatTBedVol =( q∑

+q i[C ]

MX

ult

i=mi=l i si

)( )( )Q tint 100024

P

m3

CatTBackwashRinseVol =( q∑

+q i[C ]

i=mi=l i si

)( )( )Q tint 100024

MX

ultP

( )BackwashRinseV


AnionBackwashRinseVol =( t∑

+q i[ ]A

i=mi=l i si

)( )( )Q tint 100024

MX

ultP

( )BackwashRinseV

108

Capacidad Teórica o Total = (eq/L).

Grado de Utilización de la columna = fracción o

C

porcentaje de actualmente usada durante un ciclode carga. Es la diferencia entre la capacidad fresca(generalmente menor que y la capacidad al finaldel ciclo de agotamiento comparado a (%)

C

C

C


Capacidad Operacional de Intercambio = (grado de utilización de la columna ) x (eq/L de resina).C

55


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109

Eficiencia de regeneración:

Razón de regenerante actual (equivalentes) intercambiado divididolos equivalentes de regenerante aplicado, en procentaje.

Los siguientes ejemplos muestran como trabajar estos conceptos:


110

Supongamos que se quiere remover el ion NO-3 por intercambio

iónico sobre una resina aniónica de base fuerte de la forma Cl-.

Ejemplo de diseño de Intercambio Iónico

La resina tiene las siguientes características:

-3

-

NO

ClK = 4


C 1,3 meq/L

56


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111

El efluente (influente) de ingreso tiene lassiguientes características:

[Cl-] = 3 meq/L[Cl ] = 3 meq/L

[NO-3] = 1,5 meq/L


112

Determinar cuanto efluente puede ser tratado por pie cúbico de

resina antes que el lecho de resina quede exhausto. Asumir

condiciones de equilibrio para la resina.

Primero necesitamos determinar en equilibrio con el

influente (necesario para estimar la capacidad de la columna

relativa a la composición del influente).

3NOX


57


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113

-3NO

1,5X 0,33 (influente)

3 1 5

3 1,5

- --3 33

-

NO NONO

Cl

XX 0,33=K =4 =1,97

1 X 1 0 331 X


--33

ClNO

NO1-X 1-0,331-X

114

Resolviendo esta ecuación se obtiene:

3NOX 0,66

Este valor (0,66) representa la máxima fracción de sitios de resina

que pueden ser ocupados por NO-3 con las condiciones del

influente.

Cuando esta concentración ha sido alcanzada se considera que la

l t h t


columna esta exhausta.

58


[email protected]

115

Así, la cantidad total de NO-3 que la resina puede

intercambiar es:

-31,3 eq/L(0,66) 0,86 eq NO por litro de resina.

El volumen de efluente que puede ser tratadoasumiendo una resina completamente cargadaes:

(0,86 eq/L)/(0,0015 eq/L efluente)


= 4300 gal/ft3-resina

570 litros de efluente/litro-resina

116

Regeneración

Las columnas exhaustas deben ser regeneradas debido al costo

de la resina lo cual puede hacer en algún momento prohibitivo sude la resina, lo cual puede hacer en algún momento prohibitivo su

uso.

Debido a que el IX es un proceso muy reversible, el proceso de

regeneración puede ser acompañado por la manipulación de la

composición de la solución.


59


[email protected]

117

Ejemplo:

Una columna agotada que se usó para remover Ca2+ es

regenerada en un proceso batch a la forma de Na+. Una

salmuera fuerte (principalmente NaCl) es contactada con la resinasalmuera fuerte (principalmente NaCl) es contactada con la resina

exhausta para reemplazar el Ca con Na. La composición de la

salmuera (regenerante) después del equilibrio con la resina

exhausta es:

NaCl = 2 eq/L (117 g/L)


( g )

CaCl2 = 0,2 eq/L (11 g/L)

118

Gran parte del Ca es desde la columna agotada. El Na en lasalmuera fresca puede ser levemente mas alta que 2 eq/L.

Para esta resina:

2+CaK 4

C 2eq / L


+

Ca

NaK 4

60


[email protected]

119

¿que necesitamos para determinar si la etapa de regeneraciónes efectiva?, es decir, ¿cual es la magnitud de despuésde que se completa la regeneración?

En el regenerante después del equilibrio:

2+CaX

En el regenerante después del equilibrio:

2+Ca

0,2X 0,091

2 0,2

XX C


2+ 2+ 2+

+2+

2+

Ca Ca Ca22 Na

CaCa

XX CK

C (1-X )(1-X )

120

2

2

Ca

22Ca

X 4(2) 0,0910,4

2,2(1 X ) 1 0,091

2CaResolvendo para: X 0,235


NaX 1 0,235 0,765

61


[email protected]

121

Solo el 76,5% de regeneración puede ser logrado con esteregenerante debido a que pequeñas cantidades de Ca puedentener un efecto significativo debido a la alta selectividad en favordel Ca.del Ca.

Para lograr una regeneración mas alta, es necesario utilizar unaconcentración de NaCl mas alta o utilizar un volumen mayor deregenerante para diluir el Ca que sale de la columna exhausta.


122

Supongamos que se tiene una columna de 1 litro inicialmente

exhausta con Ca2+. (Asumir que )

Por ejemplo, en el problema anterior (NO-3 /Cl-) el agotamiento

2CaX 1

ocurrió en . Este número depende del coeficiente de

selectividad y de la composición del influente.

Se determinará la regeneración con 1 litro de Na+ a alguna

concentración alta. Asumiremos que la resina tiene las

siguientes características:

X 0.66


siguientes características:

62


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123

eq/L 2C

3K2Ca

Na

Estimar la concentración de Na, C, en el regenerante requerida

para lograr ,después de la regeneración.

Notar que esto representa un 90% de utilización de la columna si

la columna esta completamente exhausta. Otra vez, la

2CaX 0.1


composición del influente determinará cuanto de la capacidad de

la columna puede estar exhausta.

124

C, la fuerza iónica del regenerante, debe permanecer

constante antes y después de que se complete la regeneración

para mantener la electroneutralidad.

Para la salmuera regenerante se asumirá que no hay CaPara la salmuera regenerante, se asumirá que no hay Ca

inicial y 1 litro de resina y regenerante:

8.1C9.0X 2

2+Ca(la meta es X 0.1)


CCX 2Ca

63


[email protected]

125

2Ca

Ca

CaNa

2Ca

Ca

)X1(

X

C

C

K

1

)X1(

X

2

2

2

2

)0206.0(C)1.01(23

)1.0(C

)C/8.11(

C/8.122

0206.0)C/811(C

8.122


)C/8.11(C

38.870206.0/8.1)C/8.11(C 22

126

014.84C6.3C2

Resolviendo para la raíz positiva:Resolviendo para la raíz positiva:

C = 11,2 eq/L

La eficiencia de regeneración para este proceso = (Na

intercambiado/Na aplicado) x100.


RE = (0.9(2)/11.2) x100 = 16.1 %

64


[email protected]

127

Este calculo puede ser repetido para 50% de utilización de lacolumna usando los mismos supuestos anteriores.

2Ca

0.5 C 1.0X asumiendo agotamiento completo

C C

C C

)333.0(C)5.01(23

)5.0(C

)C/0.11(

C/0.122


1C2C)C/0.11(C00.3 222

128

C = 3.34 eq/L

RE = (0.5(2)/3.34)x100 = 30%

En Ingeniería de Diseño, los valores típicos son:

Utilización de la columna: 30 – 60 %

Eficiencia de regeneración: = 45-70%


65


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129

PARAMETROS TIPICOS DE DISEÑO


3048_ trat. de efluentes a

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