Data and Method

Los polímeros se han utilizado en las etapas de purificación de agua desde hace cuatro décadas (Kawamura, 1976). Las principales aplicaciones de los polímeros orgánicos en los procesos de producción de agua potable radican en la etapa de coagulación-floculación cuando se han utilizado sales de aluminio o de hierro como coagulante primario. El uso de polímeros da lugar a una reducción significativa de la dosis requerida de alumbre, encontrándose reducciones del 40-60% (Hall y Hyde, 1992).

Así para un agua que contiene 5 mg/L del ácido húmico, una dosis de 75 mg/L de alumbre disminuirá solamente 20% de las sustancias húmicas, pero la adición de un polímero aniónico conjuntamente con 10 mg/L del alumbre dará una reducción del 95% (Edzwald et al., 1987).

En comparación con el alumbre (Al2SO4), algunas de las ventajas del uso de

polímeros en el tratamiento de aguas se mencionan a continuación (Rout et al., 1999; Nozaic et al., 2001):

Disminución de la dosis del coagulante

Se produce un volumen más pequeño de lodo

Un pequeño aumento en la carga iónica del agua tratada Reducción del nivel de aluminio residual

Aumenta el tamaño de flóculo haciéndolo fuerte y de forma regular Ahorros de costo de hasta 25-30%

Los polímeros son especialmente beneficiosos para hacer frente a problemas de floculación a temperaturas bajas, o en el tratamiento de aguas con poca coloración, mejorando la estabilidad y dureza del flóculo (Faust y Aly, 1983).

La característica más importante de los floculantes poliméricos es el peso molecular (MW) y, en el caso de los polielectrólitos, la densidad de carga (CD). Todos los polímeros usados como floculantes en el tratamiento de aguas, deben ser solubles en agua; existiendo polímeros catiónicos y aniónicos, así como también hay de origen natural y artificial.

Otro gran beneficio del uso de polímeros es la reducción de la materia orgánica natural (Edzwald y Tobiason., 1999) y la eliminación de partículas para asegurar la ausencia de organismos patógenos como Giardia y Cryptosporidium (Bernhardt y Clasen., 1996).

Esto requiere la mejor combinación de las sales inorgánicas como coagulante y polímero como floculante, y de las condiciones de proceso óptimas (Narkis et al., 1991).

Polímeros Catiónicos

Hay muchas variedades de polímeros catiónicos, entre los mas utilizados en la floculación de agua están: cloruro de polidimetilamonio (PDADMAC), polimeros de epicloridrina y dimetilamina (ECH/DMA), poliacrilamida catiónica (CPAM), quitosana y poliacrilamida anionica (APAM). Existen varios polímeros producidos naturalmente que presentan características catiónicas inherentes o polímeros que pueden ser modificados para actuar como un poli electrolito catiónico.

Otros de origen natural como la quitosana pueden ser absolutamente eficaz en el retiro de NOM (Bolto et al., 1998, 2001; Eikebrokk y Saltnes, 2002), aun adicionado en pequeñas concentraciones en niveles de pH neutro. La estructura de la quitosana se presenta en la Figura 2.12 así como la de otros polímeros artificiales con compuestos aminos libres.

Figura 2.12 Estructura de los Polielectrólitos Catiónicos.

Muzarelli (1977), considera que la quitosana como polímero básico reacciona con el agua de la siguiente manera:

Quitosana-NH2 +H2O

↔

Cuando la quitosana se empapa con agua, el pH se incrementa ligeramente y la cantidad del ion hidróxido y el catión de la quitosana producida son pequeños.

Aspectos Cinéticos de los Polímeros

Cuando un floculante polimérico se dosifica en una suspensión de partículas, se inician varios procesos, que proceden en diversas etapas:

Mezclado: Éste es un proceso esencial, en el cual el polímero (agregado generalmente como solución bastante concentrada) se distribuye uniformemente a través de la suspensión. Es importante que este proceso se alcance rápidamente; si no un exceso de las concentraciones locales provocara una adsorción no-uniforme y algunas partículas pueden ser reestabilizadas como resultado del exceso del polímero adsorbente. Un mezclado pobre es responsable de la alcalinidad residual en el agua después de la floculación y de la sedimentación del polímero.

Adsorción: La adherencia de las cadenas del polímero con las partículas se produce a una velocidad que depende principalmente de sus concentraciones, de acuerdo con la cinética de Smoluchowski (Gregory., 1988).

Cuando la concentración de las partículas se ha incrementado, la dosis óptima del polímero en general se incrementa proporcionalmente, ya que la tasa de adsorción del proceso es de segundo orden.

Para los polímeros de bajo peso molecular (MW) la adsorción depende principalmente de la difusión, pero para los floculantes de mayor MW depende

de una fuerza de cizalla inducida por colisiones entre las partículas y moléculas de los polímeros. Esto significa que la tasa de adsorción del polímero puede depender de las condiciones de la mezcla.

Con bajas concentraciones de las partículas (ppm), al igual que en las aguas de baja turbidez el tiempo necesario para la adsorción del polímero es de unos cuantos minutos, mientras que para altas concentraciones de sólidos el tiempo de la adsorción puede ser menor que 1 s. Cuando el tiempo de adsorción es del mismo orden que el tiempo de mezcla, las condiciones de la mezcla pueden afectar el rendimiento de la floculación (Gregory, 1988).

Cambio de lugar de Cadenas Adsorbidas: Es el momento cuando una cadena de polímero adsorbida en una partícula, es atacada por solo unos pocos

segmentos de la cadena (en principio sólo un segmento tiene que ser unido para que el polímero pueda ser considerado como 'adsorbido').

En cierto tiempo, la cadena de polímero adsorbido alcanza su configuración en el equilibrio con una distribución características de lazos, de trenes y cola. El tiempo requerido para el cambio (o el reordenamiento) de cadenas fijadas por adsorción depende de un número de factores, que no están bien definidos. Sin embargo, para los polímeros de alto peso molecular (MW), puede ser necesario un tiempo de varios segundo (Pelssers et al., 1990), durante el tiempo que el polímero es adsorbido tiene una extensa configuración que en el equilibrio hace más fácil el contacto sobre los puentes.

Floculación: Cuando las partículas han adquirido suficiente polímero adsorbido comienza a desestabilizarse resultando colisiones secundarias por las diferencias electrostáticas.

La floculación es un proceso de segundo orden, de modo que la velocidad de floculación depende del cuadrado de la concentración de las partículas, así las altas tasa de concentraciones pueden llegar a acelerar el proceso de floculación. En la práctica, el proceso de floculación ocurre en un tanque agitado o en un reactor de flujo cruzado. En la siguiente figura se esquematiza el proceso de floculación de los polímeros.

Figura 2.13 Etapas de la Floculación de Partículas por Adsorción con Polímeros.

Tomado de: Bolto y Gregory, 2007.