El método empleado en las determinaciones cuantitativas de concentración de cada solución antes y después del proceso de sorción, fue el de espectrometría de absorción atómica. Dentro de este método la técnica analítica empleada fue la curva de calibrado.
Este método se basa en la absorción de energía radiante por átomos no combinados químicamente del elemento que se analiza, porque existe una relación entre la cantidad de radiación absorbida y la concentración de los iones en solución
Se escogió este método porque es una técnica validada para la determinación cuantitativa de estos iones en estudio y por simplificar en gran medida el trabajo experimental.
Las condiciones experimentales en las determinaciones fueron escogidas adecuadamente para evitar con ello cualquier interferencia.
El proceso de adsorción con agitación se realizó utilizando 40 ml de solución de iones (Pb2+) puesto en contacto con 0.1 g de adsorbente (silicato de calcio) de acuerdo a las condiciones que se describen en el diseño experimental. (Tabla I), determinándose la concentración residual de los iones mediante el método anteriormente señalado.
Para la obtención de las curvas de absorción para el ión estudiado se preparo una serie de soluciones de concentración (1, 0.5, 0.125, 0.312, 0.078 g/L) y se sometió al proceso de sorción haciendo uso de 0.1 g de zeolitoide, 40ml de solución a 30 OC, agitación 300 rpm, 5 min de exposición y pH de la solución original.
Con el fin de determinar los parámetros termodinámicos para los dos tamaños de grano del adsorbente (0.071 o 0.125 mm) y el ión en estudio, se tomo 40 ml de solución del ión correspondiente y bajo las mismas condiciones experimentales que para el caso anterior se llevó a cabo el proceso de sorción. Es de destacar que los experimentos para cada tamaño de grano se realizaron a dos temperaturas diferentes, en nuestro caso 30 y 600C.
El producto empleado para lograr el intercambio con iones plomo (II) es el silicato de calcio monohidratado de alto desorden reticular obtenido por gelificación a partir de soluciones de cloruro de calcio y silicato de sodio.
El proceso de adsorción en régimen estático se realizó utilizando un agitador magnético MC8 de 230 V, 50 Hz y 500 W empleando 40 mL de solución de iones Pb2+ puestos en contacto con 0,1 g de adsorbente silícico de acuerdo a las condiciones que se describen en el diseño experimental, determinándose la concentración residual de los iones Pb2+ y la concentración de iones Ca2+ mediante técnica de absorción atómica. Se realizó un diseño experimental empleando agitación mecánica donde se tomaron en cuenta diámetro de partícula (0,12 y 0,07 mm), concentración inicial (1 y 0,5 g/L), pH (6 y 4), velocidad (100 y 300 rpm), tiempo (1 y 5 min.) y temperatura (30 y 60 oC) planteándose un diseño 26-2, buscando las mejores condiciones de adsorción e intercambio.
El valor de la ecuación es:
El estudio del intercambio iónico y sorción en condiciones dinámicas se realizó empleando una columna de vidrio de 2,5.10-2 m de diámetro, 5. 10-2 m de altura que contenía una masa de 3,9298 g de silicato de calcio.
Se trataron 7.2 L de solución de iones plomo(II) de concentración 7.55 ppm. El tiempo total de tratamiento fue de 1400 minutos con un tiempo de ruptura de 671 minutos. La velocidad del flujo fue de 14,68 m/h. La eficiencia de la columna es de 50%, siendo el mayor valor de la adsorción dinámica de 6.63mg/g. La altura de la zona de transferencia de masa es de 3.52 cm.
Los valores de algunos grupos adimensionales característicos de transferencia de masa se muestran a continuación, tomando en cuenta la aproximación de que al ser muy diluida la solución se tomaron los valores de las constantes físico-químicas del agua a 220C como densidad 1000 kg/m3, viscosidad de 0,958.10-3 Pa.s y el coeficiente de difusión de 1,87.10-9 m2/s.
Número de Schmidt (Sc) = 498
Número de Péclet (Pe) = 108824
Número de Reynolds (Re) = 219
La velocidad molar de masa es de 9,698 mol/m2 s, mientras la velocidad de masa es 0.1745 kg/m2s, siendo la porosidad de 0,81. El coeficiente de transferencia de masa es 1,105 moles/m2s tomando en consideración el movimiento de un líquido a través de lechos fijos de pellets al estimar las partículas de silicato como estos y catalogar que los valores de Sc y Re¨¨/ e están en la zona de frontera. El Biot da como valor 295455
La información anterior demuestra que es un flujo laminar según Re y de acuerdo a los valores de los números Pe y Bi la consideración de flujo ideal tiende a pistón.
conc(ppm) | vol(mL) | |
9 | 0 | 25 |
19 | 0 | 50 |
30 | 0 | 75 |
41 | 0 | 100 |
50 | 0 | 200 |
61 | 0 | 300 |
72 | 0 | 400 |
83 | 0 | 500 |
94 | 0,11 | 600 |
104 | 0,16 | 900 |
155 | 0,23 | 1200 |
212 | 0,35 | 1500 |
276 | 0,43 | 1800 |
342 | 0,58 | 2100 |
409 | 0,63 | 2400 |
477 | 0,71 | 2700 |
544 | 0,83 | 3000 |
608 | 0,92 | 3300 |
671 | 1 | 3600 |
735 | 1,31 | 3900 |
796 | 1,75 | 4200 |
856 | 2,38 | 4500 |
916 | 2,85 | 4800 |
975 | 3,22 | 5100 |
1036 | 3,7 | 5400 |
1097 | 4,12 | 5700 |
1158 | 4,99 | 6000 |
1220 | 5,34 | 6300 |
1279 | 6,51 | 6600 |
1339 | 7 | 6900 |
1400 | 7,55 | 7200 |
1462 | 7,55 | 7500 |
1523 | 7,55 | 7800 |
1584 | 7,55 | 8100 |
Como se aprecia el tiempo de operación en la columna es muy alto, por lo que se hace necesario disminuir el mismo. Se utilizó una mezcla de zeolita y silicato (proporción de 9,0959g de zeolita y 0,4584 g de silicato) con igual tamaño de partícula. En dicha columna la velocidad de flujo es de 15.29 m/h, la adsorción dinámica de 2.73 mg/g, una eficiencia de 52%. El volumen tratado es de 7.5 L, con un tiempo de 649 minutos y el tiempo de acción protectora de 99 minutos. La altura de la zona de transferencia de masa es de 3.69 cm.
Los valores de Sc = 498, Pe = 68182, Re = 137 . El coeficiente de transferencia de masa es 2.43 moles/m2 s. El Bi es de 650078.
Comparando ambas columnas, se aprecia una mayor velocidad de flujo en la columna correspondiente a la mezcla de silicato y zeolita (SZ) con respecto a la de silicato(S), lo cual debe obedecer a la estructura de canales definidos de la zeolita natural, además de su menor porosidad. Es interesante la mayor adsorción dinámica de la columna S, lo que podría obedecer a la estructura poligonal porosa del silicato, a su mayor porosidad y al alto contenido de iones calcio (II) disponibles para el intercambio.
Ambas columnas presentan eficiencias similares, así como flujos laminares.
Es destacable los altos valores de Pe y Bi que presentan, que las acercan a flujos tipo pistón.
Consideramos que el mayor valor del coeficiente de transferencia de masa para la columna SZ responde a las características estructuras de los lechos empleados.
Se optó por la solidificación con cemento al emplearse en mezclas para hormigón, aglomerante- árido fino- árido grueso en proporción 1:2:3, pero sustituyendo un 10 % de los áridos (1 % del árido fino y 3 % del árido grueso) con silicato de calcio y plomo en su estructura. Se dejó 24 horas al aire y se sumergió en agua ausente de plomo. Se comprobó que a los 3, 6 y 9 días no se detecta plomo mediante métodos de espectrometría de absorción atómica.
Análisis de la prefactibilidad económica:
un valor aproximado. El flujo de agua residual es aproximadamente igual a 187300 litros por año. Suponiendo que trabajan 240 días por año entonces el flujo diario sería 780.42 litros.
Partiendo de que para limpiar 40 mL de residual con la concentración de plomo ya discutida se utiliza 0.1g de adsorbente logrando un 98% de adsorción. Con los datos anteriores se realiza una razón de proporcionalidad y se calcula la cantidad de silicato necesaria para adsorber con este mismo por ciento de adsorción, 780.4 litros de residual a la misma concentración. La cantidad de silicato que se utiliza, será entonces 1.951 kg en un día. La cantidad necesaria en un año, es decir, 240 días de trabajo será 468.24 kg.
Como las cantidades de adsorbente a utilizar es pequeña y en el país hay pocas fábricas con residuales que contengan plomo, que pudieran utilizar la tecnología propuesta para el tratamiento de sus residuales, entonces llegamos a la conclusión de que no seria factible diseñar una planta a escala industrial,
incluso, a escala de planta piloto. Por tal motivo, los costos de inversión no es un tema a tratar en este trabajo.
En este capítulo sólo se tratarán los costos de producción a escala de laboratorio, para producir la cantidad de adsorbente por año que necesita la EMI para depurar sus aguas residuales contaminadas con el metal pesado. Es importante señalar que estos costos se calcularán por componentes ya que hay dos tipos de monedas involucradas. Este será comparado con el costo de adquisición del carbón activado que es el sorbente que utilizan en la degradación de dicho residual.
Cálculo del costo total de producción.
En este epígrafe se calculará el costo específico de producción el cual se determina por la siguiente ecuación:
El costo de las materias primas utilizadas en un año de trabajo se muestra a continuación en la tabla:
El costo de materia prima será 153.95 $/a en USD y el costo en MN es igual a 29.8 $/a.
Depreciación (D):
Costos de depreciación de los equipos principales(nos referimos a los costo, ya que los demás se pueden despreciar):
Equipos | Costos por Depreciación (USD)/hora | Horas de trabajo/año | Costos por Depreciación (USD)/año |
Molino | 0.0115 | 960 | 11.04 |
Estufa | 0.0059 | 960 | 5.66 |
Agitador | 0.0074 | 120 | 0.89 |
Tamiz(0.1mm) | 0.0021 | 1200 | 2.52 |
Tamiz(0.075mm) | 0.0021 | 1200 | 2.52 |
Tamiz(0.053mm) | 0.0025 | 1200 | 3.00 |
Tamiz(0.063mm) | 0.0022 | 1200 | 2.64 |
El costo total por depreciación será entonces D = 28.6 $/a.
Electricidad(elect):
El costo de la electricidad es de 0.05 $/Kw. En este caso tomamos las potencia de los equipos que se muestran en la tabla a continuación y se calcula el gasto de electricidad de cada uno por año y se busca el costo total. Los demás equipos no los incluimos ya que sus consumos de electricidad son muy bajos, casi despreciables.
El costo total por electricidad es 114.72 $/a
Mano de obra:
En el proceso sólo se necesitarán dos técnicos a los cuales se le pagará en moneda nacional por lo que el costo de mano de obra no se incluye dentro del costo en USD, estos sólo se utilizan para buscar el costo en MN. El costo de mano de obra es 6230 $/a.
Costos indirectos(CI):
Este costos no se incluye debido a que la inversión ya estaba hecha y los costos que se pagan por la inversión son solo los de depreciación.
Seguros(Seg) e impuestos(Imp):
Esto dos parámetros no se incluyen dentro de los costos, ya que no se pagan.
Suministro(Sum) y mantenimiento(Mtto):
Estos son otros de los costos que tampoco se incluye por ser muy bajos, prácticamente despreciables.
Costo en moneda nacional(MN).
En estos costos sólo se incluirán los costos en moneda nacional, estos son:
El costo total de producción en moneda nacional será entonces:
CTP = MP + MO +GG
Sustituyendo y calculando:
CTP + 0.18*CTP = 6259.8$/a
CTP = 7633.9$/a
Costo en USD
En este si se incluyen todos los costos excepto los que se desprecian. El costo total de producción es:
CTP = MP +D + Elect +GG
CTP = 362.5 $/a
En el presente trabajo se estudian las propiedades físicas y químicas más importantes del silicato de calcio dihidratado, proponiéndose una tecnología de obtención a nivel de laboratorio. El producto se utiliza como sorbente e intercambiador iónico de plomo (II). Los resultados han permitido concluir:
1- El silicato de calcio dihidratado obtenido a partir de materias primas nacionales es un tectosilicato de estructura porosa, con agua zeolítica en su estructura que se puede utilizar para la eliminación de iones plomo (II), cuyo uso no se ha reportado en el país.
2- El proceso de obtención consta de las etapas: reacción química, lavado y filtración a vacío, secado, desmenuzamiento y tratamiento de residuales.
3- El proceso de eliminación de iones plomo (II) con régimen estático demostró ser más eficiente que por el régimen dinámico.
4- El costo de producción puede disminuirse, pues a escala de producción no se requiere tanto equipamiento.
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Autor:
Sotero Molina Ibáñez
Facultad de Ciencias Agropecuarias
Universidad Central de las Villas
Santa Clara Cuba
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