La capacidad de eliminación de turbidez del cloruro férrico se determina mediante una prueba de jarras en la que se comparan distintas dosis, velocidades y tiempos de mezcla, seguidos de sedimentación y medición de la turbidez residual. En el análisis realizado con agua de Cabanilla, la mejor purificación se obtuvo con 30 miligramos por litro de tricloruro de hierro, dosis que redujo la turbidez de 52,5 NTU a 3,45 NTU.
Esta reducción representó un 93 % de eliminación de turbidez. La evaluación también mostró una disminución del arsénico hasta 0,0100 mg/L, del hierro hasta 0,2813 mg/L y del manganeso hasta 0,3113 mg/L, con un porcentaje de eliminación de manganeso del 60.90%.
Fundamento de la eliminación de turbidez
El agua es una parte indispensable de los procesos industriales y de la vida. Sin embargo, las aguas residuales que surgen después de su uso representan una seria amenaza para el medio ambiente y la salud humana debido a los sólidos suspendidos, contaminantes orgánicos y turbidez que contienen.
Las partículas pequeñas que se encuentran en las fuentes de agua o en las aguas residuales y que son visibles a simple vista o que enturbian el agua se denominan Sólidos Suspendidos (SS). Estas sustancias pueden provenir de una amplia variedad de fuentes, como arcilla, limo, residuos orgánicos, partículas industriales y microorganismos.
La turbidez causada por los SS no es solo un problema estético. Una alta turbidez impide que la luz solar necesaria para la vida acuática llegue a las profundidades del agua, reduce la fotosíntesis y afecta negativamente al ecosistema.
Además, estas partículas pueden transportar metales pesados y otras sustancias tóxicas en sus superficies, y pueden actuar como un escudo para los patógenos al reducir la eficacia de los procesos de desinfección, por ejemplo, la cloración. Por lo tanto, el objetivo prioritario de las plantas de tratamiento es eliminar eficazmente estos sólidos suspendidos del agua.
La sedimentación física por sí sola es insuficiente, especialmente para partículas coloidales muy pequeñas y estables. Para que estas partículas puedan sedimentar, deben agruparse y crecer.
Qué es el cloruro férrico y cómo actúa
El cloruro férrico (FeCl₃), también conocido como cloruro de hierro (III), es uno de los productos químicos más utilizados en el tratamiento industrial de aguas y aguas residuales. Pertenece al grupo de los precipitantes y desempeña un papel importante en la eliminación de fosfatos, la precipitación de metales pesados y la eliminación de turbidez.
El cloruro férrico es un fuerte agente oxidante muy utilizado en el tratamiento de aguas tanto municipales como industriales. Debido a su gran eficacia en la formación de flóculos, contribuye decisivamente a mejorar la calidad del agua y el cumplimiento de los valores límite.
El cloruro férrico se presenta en forma sólida como una sal de color amarillo-marrón y es altamente higroscópico, es decir, atrae el agua del aire circundante. Se disuelve fácilmente en agua y forma iones de hierro (Fe³⁺), que pueden reaccionar con otros componentes de las aguas residuales.
En solución acuosa, el cloruro férrico se hidroliza y forma hidróxido de hierro [Fe(OH)₃], que actúa como floculante. El hidróxido de hierro formado es poco soluble y forma flóculos que aglutinan la turbidez y las impurezas de las aguas residuales.
Coagulación y floculación
La separación eficaz de los sólidos suspendidos del agua se realiza mediante un proceso químico y físico de dos etapas: coagulación y floculación. Aunque estos dos términos se utilizan a menudo indistintamente, en realidad se refieren a mecanismos diferentes.
Las partículas coloidales muy pequeñas en el agua suelen tener una carga superficial negativa. Esta misma carga hace que las partículas se repelan entre sí y permanezcan como una suspensión estable en el agua.
La coagulación es el proceso de añadir una sustancia química con carga positiva, como el Cloruro Férrico, al agua. Esta sustancia química neutraliza la carga de las partículas con carga negativa.
Cuando las cargas se neutralizan, las fuerzas repulsivas desaparecen y las partículas pueden acercarse entre sí. Este proceso tiene lugar en segundos, en una etapa de mezcla muy rápida, e inicia la formación de pequeños grupos de partículas llamados microflóculos.
En la etapa de floculación, que sigue inmediatamente a la coagulación, el objetivo es agrupar estos microflóculos formados para convertirlos en flóculos más grandes, más pesados y más fáciles de sedimentar, denominados macroflóculos.
Este proceso se logra mediante una mezcla lenta y suave del agua. La mezcla rápida no es deseable en esta etapa, ya que provocaría la ruptura de los flóculos formados.
Los flóculos que alcanzan un tamaño y peso suficientes pueden descender fácilmente al fondo de los tanques de sedimentación por efecto de la gravedad.
Por qué el FeCl₃ elimina la turbidez
El Cloruro Férrico es considerado uno de los coagulantes más comunes y efectivos en la industria del tratamiento de agua y aguas residuales. Las razones científicas detrás de esta popularidad son las siguientes:
Alta densidad de carga
El ion hierro, Fe, tiene una valencia de +3, Fe³⁺. Esta alta carga positiva es mucho más efectiva para neutralizar la carga negativa de las partículas coloidales que los iones con valencia +1 o +2.
De esta manera, se logra una mayor eficiencia utilizando menos químicos. Los flóculos de hidróxido de hierro (III) aglutinan las partículas más finas y las impurezas neutralizando la carga superficial de las partículas.
Formación de hidróxido de hierro
Cuando el cloruro férrico se disuelve en agua, se descompone en iones de hierro y cloruro. Los iones de hierro reaccionan con el agua para formar hidróxido de hierro.
El hidróxido de hierro formado es poco soluble y forma flóculos que aglutinan la turbidez y las impurezas de las aguas residuales. Esto permite que las partículas se adhieran a los flóculos, por lo que se agregan en unidades más grandes y pueden separarse fácilmente por sedimentación en sistemas CP, flotación o filtración.
Flóculos densos y de rápida sedimentación
Los flóculos de hidróxido de hierro formados con el uso de FeCl3 son más densos y pesados que los flóculos formados con otros coagulantes, por ejemplo, sulfato de aluminio.
Esta característica permite que el proceso de sedimentación se realice más rápidamente y aumenta la capacidad hidráulica de la planta de tratamiento.
Dependencia del pH
El Cloruro Férrico puede trabajar eficazmente en un amplio rango de pH, generalmente entre 6.0 y 9.0. Esta flexibilidad lo convierte en una solución ideal para aguas residuales de diferentes características y reduce el costo adicional de químicos para el ajuste de pH.
La reacción de precipitación del cloruro férrico depende en gran medida del pH. La formación óptima de flóculos se produce en el rango de ligeramente ácido a neutro, valor de pH de alrededor de 5 a 7.
A valores de pH más altos, la solubilidad del hidróxido de hierro disminuye, lo que favorece la formación de flóculos.
Diseño experimental para determinar la capacidad de eliminación
Este análisis poseyó como finalidad analizar la eficacia del Tricloruro de hierro en la disminución de turbidez y eliminación de los metales solidos en de Cabanilla, en el departamento de Puno.
El método esgrimido fue de tipo cuantitativo y experimental, con diseño de laboratorio a pequeña escala. Realizamos algunos experimentos con tricloruro de hierro para purificar el agua, usando diferentes cantidades: 30, 35, 25, 15 y 20 miligramos por litro.
Lo mezclamos rápidamente a 200 vueltas por minuto durante un minuto y medio, luego lentamente a 80 vueltas durante 15 minutos y lo dejamos reposar 40 minutos.
| Etapa | Condición aplicada |
|---|---|
| Dosis evaluadas | 30, 35, 25, 15 y 20 miligramos por litro |
| Mezcla rápida | 200 vueltas por minuto durante un minuto y medio |
| Mezcla lenta | 80 vueltas durante 15 minutos |
| Sedimentación | 40 minutos |
Importancia de la prueba de jarras
El carácter de cada agua residual es diferente. Por lo tanto, para determinar la dosificación óptima de Cloruro Férrico a utilizar, se debe realizar una Prueba de Jarra a escala de laboratorio.
Esta prueba permite observar cómo se comportan diferentes dosificaciones a diferentes velocidades de mezcla. La dosificación óptima es el rango que proporciona la mejor claridad con el menor costo químico.
Una sobredosificación puede aumentar el costo y afectar negativamente el proceso al reducir el pH del agua y causar una nueva estabilización.
La prueba de jarras permite comparar la turbidez inicial con la turbidez final después de la coagulación, la floculación y la sedimentación. La capacidad de eliminación puede expresarse mediante la siguiente relación:
Eliminación de turbidez (%) = [(turbidez inicial − turbidez final) / turbidez inicial] × 100
Resultados obtenidos con cloruro férrico
Después de analizar el agua, encontramos lo siguiente: estaba un poco turbia, 52,5 NTU; contenía una pequeña cantidad de arsénico, 0,0176 mg/L, más hierro, 0,5520 mg/L, y una buena cantidad de manganeso, 0,78 mg/L.
El arsénico y el hierro se encontraban en niveles seguros para regar las plantas y dar de beber a los animales, pero había demasiado manganeso según las normas.
Con tricloruro de hierro, la mejor purificación se obtuvo con 30 miligramos por litro. Esto hizo que el agua fuera mucho más clara, reduciendo la turbidez a 3,45 NTU, un 93 % mejor.
El arsénico bajó a 0,0100 mg/L, un 43 % mejor, y el hierro a 0,2813 mg/L, casi un 49 % mejor. El manganeso también bajó a 0,3113 mg/L., con un porcentaje de eliminación del 60.90%.
| Parámetro | Agua inicial | Después del tratamiento | Eliminación indicada |
|---|---|---|---|
| Turbidez | 52,5 NTU | 3,45 NTU | 93 % |
| Arsénico | 0,0176 mg/L | 0,0100 mg/L | 43 % |
| Hierro | 0,5520 mg/L | 0,2813 mg/L | casi un 49 % |
| Manganeso | 0,78 mg/L | 0,3113 mg/L | 60.90% |
Se concluye que, a mayor dosis de coagulante, los niveles de turbidez y los metales solidos en el H2O se reducen de forma notable.
Procedimiento de aplicación a escala de tratamiento
Evaluación preliminar y prueba de jarra
Para obtener la máxima eficiencia del Cloruro Férrico, la gestión correcta del proceso es de vital importancia. Para determinar la dosificación óptima de Cloruro Férrico a utilizar, se debe realizar una Prueba de Jarra a escala de laboratorio.
La solución de Cloruro Férrico en la dosificación óptima determinada por la prueba de jarra se inyecta en la línea de entrada de aguas residuales mediante una bomba dosificadora de precisión.
Dosificación y mezcla rápida
La inyección debe realizarse en un punto donde el agua sea más turbulenta, por ejemplo, la entrada de una bomba o después de un mezclador estático, para asegurar que el químico se distribuya homogéneamente en toda la masa de agua en segundos.
Esta etapa de mezcla rápida suele durar entre 30 y 60 segundos y es necesaria para completar la coagulación.
Mezcla lenta y floculación
El agua que sale del tanque de mezcla rápida se introduce en los tanques de floculación, donde hay mezcladores lentos de grandes palas. El objetivo aquí es permitir que los microflóculos choquen entre sí y se unan para crecer.
La velocidad de mezcla debe ser lo suficientemente enérgica como para mantener los flóculos en suspensión, pero lo suficientemente lenta como para no romperlos. El tiempo de retención en esta etapa suele ser de 20 a 40 minutos.
Sedimentación
El agua que sale del tanque de floculación se introduce en grandes y tranquilos tanques de sedimentación, clarificadores. Aquí, la velocidad del agua se reduce casi a cero.
Los flóculos grandes y pesados formados se asientan lentamente en el fondo por efecto de la gravedad, formando una capa de lodo. El agua clara y tratada que queda en la parte superior se recoge a través de vertederos y se envía a la siguiente unidad de tratamiento, por ejemplo, desinfección.
Eliminación complementaria de contaminantes
Fosfatos
El fósforo, presente especialmente en aguas residuales domésticas y algunos residuos industriales, es un contaminante que causa la eutrofización, crecimiento excesivo de algas en las fuentes de agua.
El Cloruro Férrico reacciona con los iones fosfato para formar un compuesto insoluble de fosfato de hierro y se elimina del agua al sedimentar junto con los flóculos.
El cloruro férrico se utiliza para la precipitación de fosfatos en el tratamiento de aguas residuales municipales e industriales. Los fosfatos, que pueden provocar la eutrofización y el crecimiento de algas en las masas de agua, reaccionan con los iones de hierro y forman fosfatos de hierro poco solubles, que se sedimentan y se eliminan del agua.
Metales pesados
El Cloruro Férrico es eficaz no solo para eliminar sólidos suspendidos, sino también para eliminar algunos metales pesados disueltos en el agua y sustancias orgánicas que dan color, mediante sedimentación y adsorción.
El cloruro férrico se utiliza para precipitar metales pesados como el cromo, el cobre y el zinc. Estos metales reaccionan con el ion hierro (III) y forman hidróxidos metálicos insolubles que pueden eliminarse de las aguas residuales.
La precipitación de metales pesados es esencial en la industria de la galvanoplastia, el tratamiento de metales y otras industrias de transformación con elevadas cargas de metales pesados.
Compuestos orgánicos, color y olores
El Cloruro Férrico también puede contribuir a la precipitación de compuestos orgánicos. La formación de flóculos y la acumulación de sustancias orgánicas reducen la demanda química de oxígeno, DQO, de las aguas residuales.
El Cloruro Férrico es eficaz para eliminar colorantes y sustancias olorosas de las aguas residuales. La formación de flóculos permite separar los compuestos orgánicos e inorgánicos que causan decoloración u olores.
Se trata de un campo de aplicación habitual en la producción textil y de colorantes, así como en la industria alimentaria.
Comparación con el sulfato de aluminio
La presente investigación pretendió comparar el sulfato de aluminio y cloruro férrico para la remoción de turbidez; evaluando como variaría el potencial de hidrogeno, con el propósito de determinar cuál de estos dos coagulantes sería el más óptimo para el proceso de tratamiento.
Para los meses de mayo y junio del 2017, en las muestras de agua de la quebrada Rumiyacu, la turbidez y pH son variables y más altas en el mes de junio por las lluvias.
El tiempo y velocidad óptima encontrada para todos los ensayos realizados con sulfato de aluminio, es de 200 r.p.m. a 1,5 min y para todos los ensayos realizados con cloruro férrico, es de 300 r.p.m. a 1,5 min.
La dosis óptima encontrada para las velocidades de sulfato de aluminio al 1% es de 1 mL de Al2 (SO4)3 /500 mL de agua y para las diferentes velocidades de cloruro férrico al 1% es de 6 mL de FeCl3 /500 mL.
| Coagulante | Velocidad y tiempo óptimos | Dosis indicada | Comportamiento observado |
|---|---|---|---|
| Sulfato de aluminio | 200 r.p.m. a 1,5 min | 1 mL de Al2 (SO4)3 /500 mL de agua | Amortigua la variación de pH en agua alcalina y mejora la turbidez casi un 100% |
| Cloruro férrico | 300 r.p.m. a 1,5 min | 6 mL de FeCl3 /500 mL | Más eficiente en el color del agua |
Por ello podemos decir que los coagulantes, cloruro férrico y sulfato de aluminio, actúan de distintas maneras para los parámetros de pH y turbidez.
El sulfato de aluminio es un excelente coagulante ya que como el agua es alcalina este amortigua la variación pH sin provocar acidez y mejorando en casi un 100% la turbidez, llegando a estar acode a los LMP.
Así mismo se comprobó la eficiencia como floculante y ayudante al cloruro férrico que es más eficiente en el color del agua.
Ventajas y limitaciones del cloruro férrico
Ventajas
- Alta eficacia: el cloruro férrico proporciona una fuerte formación de flóculos, lo que permite separar eficazmente los sólidos y reducir los fosfatos y los metales pesados.
- Tiempo de reacción rápido: La reacción con el agua y otros iones de las aguas residuales es rápida, lo que hace que el cloruro férrico sea ideal para procesos continuos.
- Bajo consumo de productos químicos: Dado que el cloruro férrico es muy eficaz incluso en pequeñas cantidades, se reduce el consumo de productos químicos, lo que disminuye los costes de explotación.
- Amplio Rango de pH de Trabajo: El Cloruro Férrico puede trabajar eficazmente en un amplio rango de pH, generalmente entre 6.0 y 9.0.
- Flóculos Densos y de Rápida Sedimentación: Los flóculos de hidróxido de hierro formados con el uso de FeCl3 son más densos y pesados que los flóculos formados con otros coagulantes.
Limitaciones
- Dependencia del pH: El proceso de floculación depende del pH, lo que requiere un control y seguimiento precisos del valor del pH en las aguas residuales.
- Propiedades corrosivas: El cloruro férrico es altamente corrosivo y requiere técnicas especiales de almacenamiento y dosificación.
- Los sistemas deben estar fabricados con materiales resistentes a la corrosión para garantizar su durabilidad a largo plazo.
- Formación de lodos: La precipitación de fosfatos y metales pesados da lugar a la formación de lodos, que deben deshidratarse y eliminarse mediante filtros prensa de cámara, por ejemplo.
- Esto puede generar costes adicionales de eliminación.
Interpretación de la eficiencia de eliminación
La determinación de la capacidad de eliminación de turbidez no debe basarse únicamente en la dosis de coagulante. También deben considerarse la turbidez inicial, el pH, la velocidad de mezcla, el tiempo de mezcla rápida, el tiempo de floculación y el tiempo de sedimentación.
En el ensayo de Cabanilla, la dosis de 30 miligramos por litro produjo la mayor claridad entre las condiciones evaluadas. La turbidez pasó de 52,5 NTU a 3,45 NTU, lo que demuestra una elevada capacidad de formación de flóculos y separación de partículas suspendidas.
La eliminación simultánea de arsénico, hierro y manganeso indica que los flóculos de hidróxido de hierro no solo capturaron partículas responsables de la turbidez, sino también determinados contaminantes asociados a la fase suspendida o susceptibles de incorporarse al precipitado.
La relación entre dosis y rendimiento debe comprobarse siempre mediante prueba de jarras, porque una sobredosificación puede reducir el pH del agua y causar una nueva estabilización de las partículas.
La dosis óptima es el rango que proporciona la mejor claridad con el menor costo químico.
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