Por: Kate
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Fecha: 13 de noviembre de 2024
Las actividades industriales y domésticas consumen grandes cantidades de recursos hídricos y generan importantes aguas residuales, lo que genera problemas de escasez de agua y disminución de la calidad del agua en muchos países. Por lo tanto, lograr un tratamiento y reciclaje de aguas residuales libres de contaminación es un problema urgente que debe abordarse. El método de coagulación y sedimentación es simple de operar y rentable, y se aplica ampliamente en el tratamiento de aguas residuales industriales. Los coagulantes de uso común se pueden clasificar en tres categorías principales: coagulantes inorgánicos, coagulantes de polímeros orgánicos y coagulantes microbianos. Entre ellos, los coagulantes inorgánicos de bajo coste son actualmente los más utilizados, mientras que los coagulantes orgánicos presentan los mejores efectos terapéuticos. Los coagulantes microbianos todavía se encuentran en la fase de investigación de laboratorio. El desarrollo de nuevos coagulantes compuestos eficientes, seguros y económicos es la principal tendencia para el futuro del desarrollo de coagulantes.
Clasificación de coagulantes.
El mecanismo de coagulación más ampliamente aceptado implica dos procesos: coagulación y floculación. El proceso de coagulación se refiere a la desestabilización de partículas coloidales y la formación de pequeños agregados; El proceso de floculación implica que estos pequeños agregados se unen bajo la influencia del coagulante para formar flóculos más grandes. Los principales mecanismos de los coagulantes incluyen la compresión de la doble capa eléctrica, el efecto de adsorción-puente y la floculación de barrido, que desestabilizan las partículas coloidales en el agua, provocando su agregación y sedimentación, logrando así el efecto de floculación. Los coagulantes comunes se pueden clasificar en tres categorías principales: coagulantes inorgánicos, coagulantes de polímeros orgánicos y coagulantes microbianos.
01 Coagulantes Inorgánicos
El principio de acción de los coagulantes inorgánicos incluye la compresión de doble capa eléctrica y la neutralización de carga. Los coagulantes forman contraiones en las aguas residuales, que comprimen la doble capa eléctrica, lo que provoca una disminución del potencial zeta de los coloides, provocando que la capa de hidratación de la superficie desaparezca, desestabilizando los coloides. Posteriormente, las partículas coloidales cargadas se agregan mediante interacciones intermoleculares y fuerzas electrostáticas para formar flóculos grandes y densos.
Los coagulantes inorgánicos se pueden clasificar según diferentes criterios: según su composición aniónica, se pueden dividir en sulfatos y cloruros; por peso molecular, se pueden clasificar en alto peso molecular y bajo peso molecular; y por el tipo de sales metálicas, se pueden clasificar en sales de hierro (como cloruro férrico, sulfato ferroso y sulfato férrico) y sales de aluminio (como sulfato de aluminio, sulfato de potasio y aluminio y aluminato de sodio).
Los flóculos formados por sales de hierro son grandes y densos, requieren menos dosificación y se comportan bien a bajas temperaturas con un amplio rango de pH adecuado (entre 5.0 y 11). Sin embargo, las sales de hierro pueden ser corrosivas para los equipos, lo que requiere una estrecha vigilancia del estado de los equipos y las tuberías durante su uso. Las sales de aluminio tienen tiempos de sedimentación más cortos y un color más bajo después del tratamiento, pero su eficacia depende en gran medida del pH. Además, los altos niveles residuales de Al³⁺ en el agua pueden provocar una contaminación secundaria, lo que podría causar la enfermedad de Alzheimer y anemia al ingresar al cuerpo humano, por lo que se debe tener especial cuidado para evitar la contaminación secundaria.
Estos coagulantes de bajo peso molecular son económicos y se encuentran ampliamente disponibles, pero tienen problemas como altas cantidades de uso, una producción significativa de lodos y poca efectividad. Por lo tanto, hay un cambio gradual de coagulantes inorgánicos de bajo peso molecular a coagulantes de alto peso molecular. Actualmente, los coagulantes inorgánicos de alto peso molecular comúnmente utilizados incluyen coagulantes poliméricos de aluminio, coagulantes poliméricos de hierro, coagulantes reactivos de sílice y coagulantes compuestos. Su acción se basa principalmente en el efecto puente, presentando ventajas como menor sensibilidad al pH y a la temperatura, efectos de adsorción estables, dosis más bajas y menos color residual. En los últimos años, la escala de producción de coagulantes inorgánicos de alto peso molecular ha aumentado gradualmente, representando el 80% de la producción total de coagulantes, mostrando especialmente efectos significativos en el tratamiento de aguas residuales de alta turbidez.
02 Coagulantes de Polímeros Orgánicos
Los principios de acción de los coagulantes orgánicos incluyen principalmente:
(1)adsorción de partículas coloidales mediante enlaces de hidrógeno, interacciones electrostáticas y fuerzas de van der Waals;
(2) los segmentos de la cadena polimérica facilitan el asentamiento de partículas a través de un mecanismo de adsorción puente. En comparación con los coagulantes inorgánicos, los coagulantes de polímeros orgánicos tienen ventajas como una mejor eficacia del tratamiento, un tiempo de floculación más corto, idoneidad para bajas temperaturas, un amplio rango de pH y una menor producción de lodos.
Los coagulantes de polímeros orgánicos se pueden dividir en dos categorías: coagulantes de polímeros modificados naturales y coagulantes de polímeros sintéticos. Los coagulantes de polímeros sintéticos tienen pesos moleculares controlables y relativamente altos, y pueden introducir una mayor cantidad de grupos funcionales en los segmentos de la cadena, proporcionando excelentes efectos de floculación. Actualmente, el coagulante de polímero sintético más representativo del mercado chino es la poliacrilamida (PAM) y sus derivados, que acaparan el 80% del mercado total.
A diferencia de los polímeros sintéticos, que tienen altos costos de producción y toxicidad ambiental, los coagulantes poliméricos modificados naturales tienen ventajas como amplia disponibilidad, menores costos, seguridad, no toxicidad y características moleculares personalizables. Los coagulantes de polímeros modificados naturales incluyen principalmente derivados de almidón, quitosano, celulosa, goma guar y otras gomas, proteínas y algas de origen vegetal, todos los cuales pueden obtenerse de plantas y animales.
Por ejemplo, las moléculas de almidón modificado pueden lograr excelentes efectos de floculación; El almidón catiónico eterificado y sus derivados pueden flocular eficazmente partículas cargadas negativamente, mientras que las estructuras de almidón ramificadas tienen fuertes efectos de floculación sobre iones de metales pesados como cobre, mercurio y plomo. Los copolímeros de injerto de almidón copolimerizados con otros monómeros también pueden eliminar eficazmente iones de metales pesados. La modificación del quitosano se puede lograr mediante métodos como injerto, esterificación, reticulación y alquilación. Varios tipos de coagulantes poliméricos naturales pueden obtener una variedad de propiedades deseadas mediante modificaciones químicas y modificaciones para satisfacer las necesidades de la producción práctica y la vida diaria.
03 Floculantes Microbianos
Los floculantes microbianos son productos de alto peso molecular y biomasa generada por el crecimiento y metabolismo de microorganismos cultivados específicos en una determinada etapa. Pueden provocar la agregación y sedimentación de partículas sólidas suspendidas en las aguas residuales, logrando así el propósito de purificar los cuerpos de agua. Los floculantes microbianos provienen de una amplia gama de fuentes y son rentables; generalmente están compuestos de polisacáridos, proteínas, cadenas de ADN, glicoproteínas y poliaminoácidos. Pueden degradarse naturalmente sin causar contaminación secundaria.
Existen muchos microorganismos capaces de producir floculantes, que pueden industrializarse fácilmente mediante el diseño de rutas. Sin embargo, la investigación sobre floculantes microbianos en China aún es limitada y los estudios actuales se realizan principalmente a nivel de laboratorio, lejos de lograr una producción industrial.
Perspectivas de desarrollo de floculantes
Los floculantes tienen una amplia gama de aplicaciones en el tratamiento de aguas residuales, eliminando eficazmente diversas impurezas suspendidas o solubles, iones metálicos, bacterias, virus y otros contaminantes. Ayudan a lograr la desoxigenación, la decoloración y la eliminación de fósforo, lo que da como resultado un tratamiento de aguas residuales no contaminante y eficiente en el uso de recursos. Con el progreso de la investigación en curso, los tipos de floculantes utilizados en el tratamiento de aguas residuales en China han pasado de floculantes inorgánicos de bajo peso molecular a floculantes orgánicos de alto peso molecular y de tipos simples a compuestos, con el objetivo de lograr eficiencia, rentabilidad y respeto al medio ambiente.
En comparación con los floculantes inorgánicos y los floculantes sintéticos de alto peso molecular ampliamente utilizados, los floculantes naturales de alto peso molecular tienen distintas ventajas, como amplia disponibilidad, bajo costo, seguridad, no toxicidad y respeto al medio ambiente. Las aguas residuales industriales suelen tener un gran volumen, una composición compleja y consistir en dispersiones estables; por lo tanto, es posible que un solo floculante no elimine eficazmente todos los componentes.
Recientemente, ha habido una tendencia hacia el uso de floculantes compuestos inorgánicos-orgánicos e inorgánicos-microbianos, aprovechando los efectos sinérgicos de los floculantes inorgánicos-orgánicos. Primero, los floculantes inorgánicos neutralizan las cargas y agregan impurezas en grandes grupos moleculares, seguidos por floculantes orgánicos de alto peso molecular que capturan estos grupos a través de una acción de puente para una sedimentación efectiva. El uso de floculantes inorgánicos puede reducir la cantidad de floculantes orgánicos necesarios, logrando resultados óptimos a un menor costo. Sin embargo, se deben probar continuamente formulaciones y dosis específicas según los tipos de aguas residuales.
Actualmente, los floculantes compuestos de cloruro de polialuminio y poliacrilamida se utilizan habitualmente y muestran buena eficacia; sin embargo, plantean ciertos riesgos ambientales. Las investigaciones futuras podrían centrarse en combinar floculantes inorgánicos de sílice polimérica con floculantes orgánicos naturales de alto peso molecular para mejorar el respeto al medio ambiente. Si se puede lograr la producción industrial de floculantes microbianos, los sistemas de floculantes compuestos inorgánicos-microbianos también deberían producir excelentes resultados de tratamiento.
El deterioro de la calidad del agua debido a las actividades de producción humana ha hecho que el tratamiento de las aguas residuales no contaminante y eficiente en el uso de los recursos sea una cuestión urgente. El uso de métodos y agentes de floculación apropiados puede lograr excelentes resultados de tratamiento a bajos costos. Actualmente, los floculantes han pasado de peso molecular bajo a peso molecular alto y de tipo simple a tipo compuesto, eliminando eficazmente impurezas suspendidas y disueltas, metales pesados y colores de las aguas residuales.