CLARIFICACION lUJli:jJlim::I\:li: PAGINAINTRODUCCIN. CLASIfICACIN DE FLOCULANTES. Floculantesinorgrllcos Polmeros floculantes naturales Polmeros floculantes sintticos CARACTERISTICAS DE LOS POLIMEROS FLOCULANTES. Tipo de carga. Densidad de carga Peso molecular FIGURAS 1 a 4. Tipo de carga. Densidad de carga

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2 2

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3

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5

PROCESOS DE FLOCULACION EN LA FABRlCACION DE AZUCAR Floculacin en la clarificacin de jugo Floculacin en la clarificacin de meladura Floculacin en la clarificacin de azcar fundido para refineraFIGURAS 5 a 7. Floculacin primaria' Floculacin secundaria Floculacin con deficiencia de fosfatos Floculacin con fosfatos en cantidad adecuada

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VARIABLES QUE AFECTAN A LA CLARIFICACION. Clarificacin de jugo Clarificacin de meladura Clarificacin de azcar fundido para refineraVARIABLES QUE AFECTAN FIGURAS 8 a 12. Efecto del peso molecular. Efecto de la densidad de carga. Efecto de la dosificacion. Tanque de reaccin Clarificador LA EFICIENCIA DE UN FLOCULANTE.

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INTRODUCCIN.

En el tratamiento de aguas y en muchos procesos industriales, como los de las industrias minera, papelera, petrolera, azucarera, etc.; se requiere la separacin de, una solucin acuosa, de partculas suspendidas slidas insolubles. En la mayora de los procesos, la separacin es mejorada si esas partculas son aglomeradas en masas grandes. Estos aglomerados de partculas se separan mejor y ms rpido debido a su tamao ms grande. Este proceso de aglomeracin se conoce como FLOCULACIN.CLASIFICACIN DE FLOCULANTES.

Podemos clasificar a los floculantes que normalmente se comercializan en: 1. FLOCULANTES INORGANICOS. 2. POLIMEROS FLOCULANT;ES NATURALES. 3. POLIMEROS FLOCULANTES SINTTICOS. a) FLOCULANTES INORGANICOS. Los floculantes inorgnicos, frecuentemente conocidos como coagulantes, estn basados en las sales hidrolizables del aluminio y del hierro, principalmente el sulfato de aluminio y e'lcloruro frrico. Los polmeros f1oculantes sintticos han reemplazado casi totalmente a los floculantes inorgnicos en la mayora de las aplicaciones excepto en algunos procesos de clarificacin de agua donde todava se usa el sulfato de aluminio.2. POLIMEROS FLOCULANTES NATURALES.

Estos productos son polmeros que se encuentran en forma natural y que son modificados qumicamente. La gran mayora de estos polmeros consisten de almidn catinico. En la actualidad este tipo de floculantes encuentra usos muy limitados, debido al auge que han experimentado los polmeros sintticos en todos los campos de aplicacin. 3. POLIMEROS FLOCULANTES SINTTICOS. Los polmeros floculantes son macromolculas orgnicas, solubles en agua, capaces de desestabilizar y flocular materia suspendida. La solubilidad en agua la confieren grupos funcionales polares inicos y no inicos. Los polmeros floculantes ofrecen las siguientes ventajas:

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..

Los flculos son ms grandes y resistentes y se forman mas rpidamente. El contenido de sales no se incrementa. Se generan menos Iodos. Por ejemplo un lodo desecado con un polielectrolito contiene tpicamente 1% de polmero base seca, mientras que la concentracin de un floculante inorgnico puede llegar hasta un 20%.

CARACTERISTICAS DE LOS POLIMEROS FLOCULANTES. Los polmeros floculantes se dstinguen por:

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Tipo de carga. El tipo de carga proporciona la base de la clasificacin en: a) Aninicos. b) Catinicos. c) No inicos.

Los aninicos y catinicos tambin son conocidos como polielectrolitos. La carga aninica se obtiene por la incorporacin de grupos carboxilo aunque para pH muy altos se usa el grupo sulfnico. La carga catinica se obtiene casi exclusivamente por la incorporacin de grupos amino, usualmente como una atnina cuaternizada que no es dependiente del pH. Los no inicos son aquellos que carecen de carga. Algunos ejemplos se muestran en las figuras 1,2.

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Densidad de carga.

Se define como el porcentaje de unidades de monmero que tienen una carga. Puede variar de 100% mol, para productos preparados con monmeros cargados, a 0% mol para polmeros no inicos. Densidades de carga intermedias pueden obtenerse por la copolimerizacin de monmeros cargados y sin carga o por una reaccin parcial de la cadena de polmero. La densidad de carga se determina experimentalmente por una titulacin coloidal. Algunos ejemplos se muestran en las figuras 3 y 4.

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Peso molecular.

En la siguiente tabla se muestra la clasificacin.de los floculantes de acuerdo al valor de su peso molecular:

Descripcin Bajo Medio Alto Muy alto

Rango. glmol 104- 105 105- 106 Ixl06 - 5xl06 mas de 5xl06

El peso molecular de los polmeros es difcil de medir. La viscosidad puede ser tomada como una medida indirecta del peso molecular aunque es necesario ser precavido al comparar el peso molecular de diferentes polmeros, ya que pueden intluir variables como: a) Temperatura. b) Porcentaje de tloculante en solucin. c) Porcentaje de activo del producto.

Ms de la mitad de todos los tloculantes sintticos y todos los de alto y muy alto peso molecular, son copolimeros en los que el principal monmero es la acrilamida. De estos tloculantes alrededor de un 44% son aninicos, la mayora de los cuales son copolmeros de acrilamida y poliacrilato de sodio. Los polmeros de bajo y medio peso molecular se venden comnmente como soluciones acuosas con un lO a 15% de polmero. Esto proporciona una forma conveniente de manejo ya que solo hay quediluir para su empleo. Las soluciones concentradas de polmeros de alto peso molecular son de muy alta viscosidad y no pueden ser usadas fcilmente por los medios normales de manejo. Y las soluciones diluidas son inestables. Para evitar estas dificultades los polmeros de alto peso molecular son vendidos como slidos, geles o en emulsin. Los slidos contienen de 80 a 98% de polmero. Los geles contienen de un 30 a 35% y las emulsiones, del tipo agua en aceite contienen de25 a 40%.

POLMERO

FORMULA MOLECULAR

CARGA Aninica

Poli (estireno sulfonato de sodio)

-

(CH2 -CH)n-

~1803- Na+

Poli (acrilato de sodio o amonio)

-(CH2-CH)n-

I

Aninica0- M+

C11

OPoli (acrilamida)

-(CH2-CH)n-

I

No inica NH2

C11

OFIGURA 1 5

POlMEROPoli (etilenamina)

FORMULA MOLECULAR

CARGA Catinica

-

(CH2-CH2 -N)nI

H

Poli (cloruro de 2-hidroxipropil-1 ,1-N-dimetil amonio )

OH CH3

I

I

Catinica

-

(CH2 -CH-CH2-N+)n -

CH3Poli (acrilamida)

I

cr

Catinica -(CH20CH2)n~ N+ CI/ '\. CH3 CH3

FIGURA 2

6

REPRESENTACION --CH2-CHI

DE UN POlMERO CH2-CH~H2-CH

NO IONICO, 0% DE CARGA. ~H2-CHI I

~H2-CHI

~H2-CHI

~H2-CHI

~H2-CHI

~H2-CHI

~H2-CHI

I

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

NH2

NH2

NH2

NH2

NH2

NH2

NH2

NH2

NH2

NH2

Todos los monmeros sin carga

u

u

REPRESENTACION DE UN POlMERO ANIONICO CON 30% DE CARGA --CH2-CH -~H2-CHI I

-~H2-CHI

-~H2-CHI

-~H2-CHI

-~H2-CHI

-~H2-CHI

-~H2-CHI

-~H2-CHI

-~H2-CH-I

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

C==OI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

NH2

NH2

0- Na+

NH2

0- Na+

NH2

NH2

0- Na+

NH2

NH2

~onmero U Sincarga

Monmero

concarga

U

FIGURA 3

REPRESENTACION

DE UN POlMERO ANIONICO CON 50% DE CARGA.

--CH2-CH---CH2-CH ---CH2-CHI I I

---CH2-CHI

--CH2~CHI

--CH2-CHI

--CH2-CHI

---CH2-CHI

---CH2-CHI

---CH2-CHI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

C=OI

O-Na+ Monmero

NH2

O-Na+

NH2

O-Na+

NH2

O-Na+

NH2

O-Na+

NH2

~

concarga

Monmero sincarga

~

REPRESENTACION

DE UN POlMERO ANIONICO CON 100% DE CARGA.

CH2-CH

CH2-CH---CH2-CH

---CH2-CH

---CH2-CH

---CH2-CH

---CH2-CH

---CH2-CH

---CH2-CH

---CH2-CH--

I C=O IO- Na+

I C=O IO-Na+

I C=O IO-Na+

I C=O IO-Na+

I C=.O IO-Na+

I C=.O IO-Na+

I C=O IO-Na+

I C=O IO-Na+

I C=O IO-Na+

C=O O-Na+

I I

Todos losmonmeros concarga

~.

~ FIGURA 4 8

PROCESOS DE FLOCULACION EN LA FABRICACION DE AZUCAR

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Floculacin en la clarificacin de jugo.

El jugo de caa se puede definir como una suspensin coloidal irreversible y polidispersa. El jugo crudo,tiene una serie de impurezas que van desde partculas visibles a simple vista, por ej. restos de fibra de la caa, fibras de bagacillo y partculas de tierra, hasta molculas grandes en estado coloidal, por ej. plisacridos, protenas y silicatos complejos. La estabilidad de la suspensin de las partculas que se observan en el jugo sin tratar se debe a que las partculas tienen una carga elctrica negativa. La carga superficial genera una fuerza repulsiva entre partculas que tiende a mantenerlas' separadas. Para las partculas grandes, las fuerzas gravitacionales son dominantes y las hacen inestables con respecto a la suspensin, pero para las partculas individuales de dimensiones coloidales las fuerzas electrostticas y las fuerzas microhidrodinamicas dominan y hacen que la suspensin de esas partculas sea relativamente estable. El objeto de la clarificacin es desestabilizar esas partculas por medio de un mecanismo de coagulacin seguido de un proceso de floculacin propiamente dicho. Generalmente el jugo crudo se clarifica utilizando cal y calor como agentes clarificantes. Al aadir cal a valores de pH alrededor de 6.5, el fosfato inorgnico natural existente en el jugo se precipita en diversas especies de fosfato clcico. Los iones calcio, se combinan con las capas proteinaceas adsorbidas en la superficie de las impurezas, actuando como un coagulante que desestabiliza las partculas en suspensin, el precipitado as formado atrapa los slidos en suspensin al igual que las partculas ms finas. El calentamiento del guarapo alcalizado hasta el punto de ebullicin o ligeramente arriba coagula la albumina y algunas grasas, ceras y gomas. Este mecanismo, que podramos llamar una coagulacin o floculacin primaria, (Fig. 5), constituye la base de todos los procedimientos de clarificacin empleados en la industria azucarera. En este punto es necesario aclarar que el xito del proceso de clarificacin se debe ms a esta floculacin primaria que al uso de floculantes. El uso de floculantes aninicos, (principalmente copolmeros de acrilamida y acrilato de sodio) se ha extendido como una forma de hacer ms eficiente la clarificacin con el tratamiento clsico. La figura 6, muestra el efecto de la adicin de una cadena de polmero, en este caso algunos puntos activos de la cadena pueden fijar una aglomeracin de partculas o de flculos primarios provocando una aglomeracin secundaria que se separar mas fcilmente de la solucin. La cantidad presente del in fosfato es una variable del proceso de clarificacin, en ocasiones, los fosfatos naturales presentes en el jugo no son suficientes para generar ese efecto de puente en las partculas. En este caso pudieran presentarse partculas con iones calcio combinados qumicamente a la su';' perficie y estas partculas se fijaran a los puntos cargados de la molcula de polmero, como se muestra en la figura 7, Es evidente, de la figuras 7 el aumento en la eficiencia del proceso cuando se logra el efecto puente causado por los iones fosfato, Esta es la razn por la que es muy importante mantener un valor de fosfatos en el jugo crudo de 300 ppm como mnimo.

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Floculacin en la clarificacin de meladura.

La meladura se puede definir como una suspensin coloidal polidispersa. La meladura tiene una serie de impurezas que van desde, fibras de bagacillo, hasta molculas grandes en estado coloidal, por ej. polisacridos, protenas y silicatos complejos, adems de sales de calcio inorgnicas insolubles tales como sulfato, fosfatos y silicatos. stas impurezas provienen del jugo mezclado, que no son eliminadas en su totalidad en la clarificacin, dando como resultado un jugo clarificado de aspecto oscuro. Cuando se concentra el jugo en los evaporadores, la concentracin de partculas de impurezas se incrementa en proporcin al aumento de la concentracin de slidos, aumentando la turbidez y el color, una parte de estas impurezas aparece en forma de incrustacin en la superficie de calentamiento del evaporador y el resto va a parar a la meladura. Generalmente el proceso de clarificacin de meladura se lleva a cabo utilizando cido fosfrico, cal, un aditivo cationico y una temperatura de aproximadamente 85C. Al aadir cido fosfrico en una cantidad de alrededor de las 325 ppm (base slidos) y cal para mantener un valor de pH alrededor de 6.4, los iones calcio, se combinan con las capas proteinaceas adsorbidas en la superficie de las impurezas, actuando como un coagulante que desestabiliza las partculas en suspensin, l coagulo as formado atrapa los slidos en suspensin en un proceso similar al descrito en la figura No 5. Debido a la densidad de la meladura, la separacin de las impurezas se realizan por flotacin, por lo que es necesario inyectar aire, ya sea por medio mecnico o por medio de aire comprimido, formando microburbujas, las cuales se adhieren a los floculos formados, lo que favorece al proceso de flotacin, este mecanismo complementa la formacin del floculo primario, como se muestra en la figura No 11. El uso de floculantes aninicos despus de la aireacin, facilita la unin de los pequeos floculos, los cuales son arrastrados a la superficie, englobando las partculas ms finas y formando una capa de espuma compacta en la superficie del clarificador, la que es retirada en forma mecnica por medio de rastras como se muestra en la figura 12. La figura 6, muestra el efecto de la adicin de una cadena de polmero, en este caso, algunos puntos activos de la cadena pueden fijar una aglQmeracinde partculas o de flculos primarios provocando una aglomeracin secundaria "floculo secundario" que se separar mas fcilmente de la solucin. La cantidad presente del in fosfato es una variable del proceso de clarificacin, los fosfatos naturales presentes en la meladura no son suficientes para generar ese efecto de puente en las partculas. Esta es la razn por la que es muy importante mantener un valor de fosfatos en la meladura. Adicionalmente se usa un aditivo cationico de alto peso molecular con propiedades tensoactivas el cual sinergiza la accin del aire mediante un mecanismo que permite que se adhieran mejor los floculos a la microburbuja de aire. Adems, como se menciono, el contenido de sales de calcio presentes en la meladura que incluyen sulfatos, silicatos, y otras sales insolubles que reaccionan ms especficamente con un compuesto cationico, formando sales mucho ms fciles de flotar que los compuestos originales, logrndose un producto final con un menor porcentaje de insolubles.

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Floculacin en la clarificacin de azcar fundido para refineria.

El fundido es una solucin obtenida despus del proceso de cristalizacin, ya que el azcar obtenida se funde usando generalmente aguas dulces del proceso o en su caso con condensados vegetales, dando romo resultado un jarabe de color mbar obscuro con una concentracin de 60 a 65 Bx, que se deber ~e tratar para eliminar en lo mayor posible las impurezas que lo acompaan. El azcar fundido tambin se puede definir como una suspensin coloidal polidispersa. El fundido crudo tiene una serie de impurezas que van desde restos de fibra de la caa que son atrapadas en los cristales el proceso de cristalizacin del azcar, partculas microscpicas, molculas grandes en estado coloidal, por ej. polisacridos, protenas y silicatos complejos, pigmentos vegetales anionicos que son fuentes de color, adems de grasas, ceras y gomas, entre otras, impurezas La estabilidad de la suspensin de las partculas que se observan en el fundido sin tratar se debe a que las partculas tienen una carga elctrica negativa. La carga superficial genera una fuerza repulsiva entre partculas que tiende a mantenerlas separadas. Las molculas colorantes en el licor de azcar cubren una amplia gama de pesos moleculares, de las cuales casi todas son anionicas, por ese motivo, el objetivo de usar un decolorante es insolubilizar esas molculas de colorante, mediante un compuesto cationico de mediano peso molecular que al reaccionar con los colorantes forman una molcula insoluble fcil de remover. Generalmente en el proceso de clarificacin de fundido se clarifica utilizando cido fosfrico, cal, un removedor de color y una temperatura de aproximadamente 85 c. Al aadir 350 ppm de cido, cal a valores de pH alrededor de 7.7, se forman diversas especies de fosfato clcico. Los iones calcio, se combinan con las capas proteinaceas adsorbidas en la superficie de las impurezas, actuando como un coagulante que desestabiliza las partculas en suspensin, l coagulo as formado atrapa los slidos en suspensin al igual que las partculas ms finas y algunas grasas, ceras y gomas. Debido a la densidad del fundido la separacin de las impurezas se realiza por flotacin, inyectando aire, ya sea por medio mecnico o por medio de aire comprimido como se muestra en la figura 11, formando una micro burbuja la cual arrastra a la superficie el coagulo formado, este mecanismo complementa la formacin del floculo primario. El uso de floculantes aninicos despus de la aireacin, facilita la unin de los pequeos floculos, los cuales son arrastrados a la superficie, englobando las partculas ms finas y formando una capa de espuma compacta en la superficie del clarificador, la que es retirada en forma mecnica por medio de rastra como se muestra en la figura No 12. La cantidad presente del in fosfatoe!; una variable del proceso de clarificacin, los fosfatos naturales presentes en el fundido no son suficientes para generar ese efecto de puente en las partculas. En este caso pudieran presentarse partculas con iones calcio combinados qumicamente a la superficie y estas partculas se fijaran a los puntos cargados de la molcula de polmero, como se muestra en la figura 7.

II

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PARTICULA

:.CaOH

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- -ci+ ci+- - - ci+ - -- - - --a-