Filtracin y Sedimentacin

INTRODUCCIN

La filtracin es una operacin unitaria bsica, consistente en la separacin de partculas slidas de una suspensin mediante un medio filtrante que deja pasar el lquido y retiene el slido. Las partculas slidas retenidas sobre el medio filtrante van formando un lecho poroso, a travs del cual circula el fluido, denominado torta filtrante.Sedimentacin es la operacin unitaria por el cual las partculas ms pesadas que el agua, que se encuentran en su seno en suspensin, son removidas por accin de la gravedad y se depositan en el fondo, extrayendo estos como un lodo o sedimento. Generalmente la eficiencia es muy baja y para tener un mayor grado de separacin de los slidos se efecta la coagulacin y la floculacin.En qumica de aguas, un coagulante son sales metlicas que reaccionan con la alcalinidad del agua para producir un floculo de hidrxido del metal, insoluble en agua, que incorpore a las partculas coloidales. Los coagulantes ms comunes son: Alumbre, Sulfato frrico, Cloruro frrico, Sulfato ferroso, Carbonato de magnesio, Aluminato sdico. Estos contribuyen al proceso de sedimentacin, hacindolo ms rpido y eficaz.La decantacin es un proceso unitario que se utiliza para separar mezclas heterogneas, que pueden estar conformadas por una sustancia lquida y una slida, o por dos sustancias lquidas. Significa sedimentar, colocarse una de las sustancias en la base de la otra, por efecto de sus distintas densidades, lo que permite separarlas.En el presente informe algunos experimentos de filtracin, decantacin y sedimentacin fueron realizados por los alumnos de la universidad Norbert Wiener, de la carrera de Ingeniera industrial y de Gestin Empresarial. Para su realizacin se emplearon conocimientos tericos, diversos materiales, equipos de laboratorios y reactivos, as como el asesoramiento del docente a cargo del curso. La importancia de este informe radica en complementar nuestros conocimientos tericos sobre el tema con las experiencias realizadas en el laboratorio y dar a conocer los resultados de las mismas.

1. FUNDAMENTO TERICO

1.1FILTRACINEscobar C. (2008) define La filtracin consiste en la remocin de partculas suspendidas y coloidales presentes en una suspensin acuosa que escurre a travs de un medio poroso. En general la filtracin es la operacin final que se realiza en una planta de tratamiento de agua y por consiguiente, es la responsable principal de la produccin de agua de calidad coincidente con los patrones de potabilidad. (p.1).1.1.1Mecanismos de la FiltracinComo las fuerzas que mantienen a las partculas removidas de la suspensin adheridas a las superficies de los granos del medio filtrante son activas para distancias relativamente pequeas (algunos angstroms), la filtracin usualmente es considerada como el resultado de dos mecanismos distintos pero complementarios: transporte y adherencia. Inicialmente, las partculas por remover son transportadas de la suspensin a la superficie de los granos del medio filtrante. Ellas permanecen adheridas a los granos, siempre que resistan la accin de las fuerzas de cizallamiento debidas a las condiciones hidrodinmicas del escurrimiento.Los mecanismos que pueden realizar transporte son los siguientes:Filtracin y Sedimentacin

a) 7

b) Cernidoc) Sedimentacind) Intercepcine) Difusinf) Impacto inercialg) Accin hidrodinmicah) Mecanismos de transporte combinados.

Los mecanismos de adherencia son los siguientes:a) Fuerzas de Van der Waalsb) Fuerzas electroqumicasc) Puente qumicoCul de estos mecanismos es el que controla el proceso de filtracin ha sido asunto de largos debates. Es indudable que no todos necesariamente tienen que actuar al mismo tiempo y que, en algunos casos, la contribucin de uno o varios de ellos para retener el material suspendido es quizs desdeable.Pero hay que tener en cuenta que dada la complejidad del fenmeno, ms de un mecanismo deber entrar en accin para transportar los diferentes tamaos de partculas hasta la superficie de los granos del medio filtrante y adherirlas.Figura 1. Filtracin.1.2SEDIMENTACINGilarra M. (2007) infiere La sedimentacin es una operacin unitaria consistente en la separacin por la accin de la gravedad de las fases slida y lquida de una suspensin diluida para obtener una suspensin concentrada y un lquido claro. (p. 2). Se pueden distinguir dos tipos de sedimentacin, atendiendo al movimiento de las partculas que sedimentan: Sedimentacin libre: se produce en suspensiones de baja concentracin de slidos. La interaccin entre partculas puede considerarse despreciable, por lo que sedimentan a su velocidad de cada libre en el fluido.

Sedimentacin por zonas: se observa en la sedimentacin de suspensiones concentradas. 1.2.1Operaciones de Coagulacin y Floculacin Los trminos Coagulacin y Floculacin se utilizan ambos indistintamente en colacin con la formacin de agregados. Sin embargo, conviene sealar las diferencias conceptuales entre estas dos operaciones. La confusin proviene del hecho de que frecuentemente ambas operaciones se producen de manera simultnea. Para aclarar ideas definiremos Coagulacin como la desestabilizacin de la suspensin coloidal, mientras que la Floculacin se limita a los fenmenos de transporte de las partculas coaguladas para provocar colisiones entre ellas promoviendo su aglomeracin. Por tanto: Coagulacin: Desestabilizacin de un coloide producida por la eliminacin de las dobles capas elctricas que rodean a todas las partculas coloidales, con la formacin de ncleos microscpicos. Floculacin: Aglomeracin de partculas desestabilizadas primero en microflculos, y ms tarde en aglomerados voluminosos llamados flculos. 1.3DECANTACINLa decantacin es un proceso fsico de separacin de mezcla especial para separar mezclas heterogneas, estas pueden ser exclusivamente lquido - lquido o slido - lquido. La decantacin se basa en la diferencia de densidades entre los dos componentes, que hace que dejados en reposo, ambos se separen hasta situarse el ms denso en la parte inferior del envase que los contiene. De esta forma, podemos vaciar el contenido por arriba (si queremos tomar el componente menos denso) o por abajo (si queremos tomar el ms denso).

2. OBJETIVOS

2.1Objetivo GeneralComprender la teora y prctica relacionada con los temas de filtracin, sedimentacin y decantacin a fin de conocer sus diferencias y sus aplicaciones en la industria de hoy.2.2Objetivos Especficos Realizar buenas prcticas en el laboratorio y tomar los datos necesarios para la elaboracin de un excelente informe.

Aplicar las tcnicas de sedimentacin y filtracin, en diferentes productos, que intervengan en procesamiento de las operaciones unitarias.

Calcular la velocidad de decantacin por medio de un grfico altura de la interfase en centmetros versus el tiempo en minutos as como el valor de esta por medio del anlisis de regresin de los datos.

APLICACIONES A LA INDUSTRIASedimentacin: Entre las aplicaciones de la sedimentacin se incluye la eliminacin de slidos de aguas negras, la sedimentacin de cristales del licor madre, la separacin de mezclas lquido-lquido provenientes de la etapa de extraccin con disolvente de un sedimentador, la sedimentacin de partculas alimenticias slidas de un lquido preparado y la sedimentacin de una suspensin en el proceso de lixiviacin de la soya. Las partculas pueden ser de tipo slido o gotas de lquido, el fluido puede ser un lquido o un gas y estar en reposo o en movimiento. En algunos procesos de sedimentacin, el objetivo es eliminar las partculas de la corriente del fluido para que ste quede libre de contaminantes. En otros casos, se desea recuperar las partculas como productos, por ejemplo al aislar la fase dispersa en una extraccin lquido-lquido. En algunos casos, las partculas se suspenden en fluidos para separarlas, de acuerdo con su tamao o densidad. La sedimentacin se utiliza en la potabilizacin y tratamientos de aguas residuales para separar slidos en suspensin de las mismas. La eliminacin de las materias por sedimentacin se basa en la diferencia de peso especfico entre las partculas slidas y el lquido donde se encuentran, que acaba en el depsito de las materias en suspensin. En algunos casos, la sedimentacin es el nico tratamiento al que se somete el agua residual. La sedimentacin puede producirse en una o varias etapas o en varios de los puntos del proceso de tratamiento. En una planta tpica de lodos activos, la sedimentacin se utiliza en tres de las fases del tratamiento: 1) En los desarenadores, en los cuales la materia inorgnica (arena, a veces) se elimina del agua residual; 2) En los clarificadores o sedimentadores primarios, que preceden al reactor biolgico, y en el cual los slidos (orgnicos y otros) se separan; 3) En los clarificadores o sedimentadores secundarios, que siguen al reactor biolgico, en los cuales los lodos del biolgico se separan del efluente tratado.

Figura 5.- Tanque de sedimentacin primaria, (fuente: Wikipedia)Filtracin Los sistemas de filtracin tratan el agua pasndola a travs de lechos de materiales granulares (p.ej., arena) que retiran y retienen los contaminantes. Los sistemas de filtrado convencionales, directos, lentos de arena y de tierra diatomcea hacen todos un buen trabajo al eliminar la mayora de protozoos, bacterias y virus (si se usa la coagulacin). Usualmente, los filtros de bolsa y cartucho no eliminan los virus y muy pocas bacterias.

3.METODOLOGA

Materiales y equipos

MATERIALCantidadREACTIVOS/ INSUMOSCantidadX EL ALUMNO

1. Vickers 500mL5Hipoclorito de sodio20 mL

2. Vickers 250mL5Carbonato de calcio20 mL

3. Balde plstico/ acero 4 L5Carbn vegetal trozos100 g200 g

4. Cinta adhesiva5Arena sucia200 g

5. Balanza digital1Arena Limpia200 g200 g

6. Embudos grande5Aluminato sdico5 g

7. Pera de decantacin y nuez de soporte.5Sulfato de aluminio5 g

8. Probeta 1000mL5Sulfato frrico5 g

9. Probeta 100 mL5Cloruro frrico5 g

10. Mechero Bunsen y soporte universal5Caf granel molido(para pasar)50 g

11. Regla graduada universal5

12. Embudo5

13. Termmetro Hg -10- 120 C5

14. Termmetro digital5

15. Gasa Toalla1

16. Barmetro1

17. Licuadora5

18. Cronmetro5

19. Martillo1

20. Servicios de agua, energa, aire, gas, campana extractora

Tabla 01.- (Fuente: Gua de prcticas de laboratorio).DATOS OBTENIDOS EN EL EXPERIMENTO.Tiempo -- Altura

1 min 7mm2 min 12mm3 min 30 mm4 min 45 mm5 min 80 mm 6 min 100 mm7 min 120 mm8 min 140 mm9 min 155 mm10 min 164 mm

* No mover mucho la probeta para evitar q se altere la velocidad de decantacin.Experimento N-02.Filtracin.La filtracin consiste en la remocin de partculas suspendidas y coloidales presentes en una suspensin acuosa que escurre a travs de un medio poroso. En general la filtracin es la operacin final que se realiza en una planta de tratamiento de agua y por consiguiente, es la responsable principal de la produccin de agua de calidad coincidente con los patrones de potabilidad.Filtracin: Obtener agua limpia de agua turbia.Paso N001Para el laboratorio solo aplicamos 500 ml de aguaEsta prueba es la de filtracin, primero ensuciamos el papel higinico en el piso para poder obtener un papel muy sucio y poder ensuciar el agua (agua turbia), luego lo colocamos en el vaso con 500ml de agua para obtener agua turbia. Luego medimos el pH que era 7.Paso N002Luego se comenz a armar nuestro filtro, cortamos una botella por la mitad, colocamos algodn, luego piedras pequeas, y al final 100 gramos de arena fina, esto nos servir para poder filtrar y obtener agua limpia.Paso N003Comenzamos a filtrar nuestra agua turbia con el filtro elaborado en el laboratorio.Vertimos los 500 ml de agua turbia a nuestro filtro y gota a gota empez a filtrar. Una vez filtrada toda el agua turbia medimos el pH y el dato observado fue 7.

4. RESULTADOS

4.1RESULTADOS DEL EXPERIMENTO 1 SEDIMENTACINPara este experimento se prepararon suspensiones de CaCO3 con concentraciones de 1%, 2%, y 3% para los diferentes grupos de alumnos, en nuestro caso nos toco seguir el experimento con una cantidad de CaCO3 con concentracin de 3%, sea 3 g de carbonato de calcio en 100 mL de agua, siendo el objetivo de esta prueba determinar grficamente la velocidad de decantacin. Para ello se us una probeta y con ayuda de una regla medimos la altura de volumen que posee la probeta para as observar la altura en cm de la interfase, luego se verti en la probeta los 100 mL de solucin de CaCO3 al 3% y se anoto las alturas (decantacin) por cada minuto (10 minutos), sea por cada minuto vamos a determinar la altura que va disminuyendo las partculas que se van sentando en la base de la probeta.

Figura 22.- Altura que ocupa la suspensin en funcin del tiempo.El siguiente cuadro nos muestra los datos obtenidos que son el tiempo y las alturas en cm de la interfase:

Tiempo en minutosAltura (H) en cm de la interfaseObservacin

3% de CaCO3[footnoteRef:1] [1: ]

10,70Se tuvo cuidado al manipular la probeta y as evitar que se altere la velocidad de decantacin.

21,20

33,00

44,50

58,00

610,0

712,0

814,0

915,5

1016,4

A partir del cuadro anterior se puede graficar las alturas en cm de la interfase versus el tiempo, lo que representa la velocidad de decantacin:

La siguiente grafica nos muestra la tendencia y ecuacin de regresin de la curva:

A partir de la ecuacin de regresin de la curva se despeja y/x, obtenindose:

Por lo tanto, la velocidad de decantacin es: 1,6353 cm/min

4.2RESULTADOS DEL EXPERIMENTO 2 FILTRACINPara llevar a cabo este experimento se utilizo agua turbia, la cual se someti a una operacin de filtracin, ya que se us el papel higinico el cual fue ensuciado para luego echarlo en nuestro vaso con agua y obtener agua turbia.El objetivo de esta prueba es determinar por medio de la observacin cuanto tiempo se demora en filtrar 500 ml de agua y cuanto de agua llega a filtrarse.1 Agua turbia: Cantidad de agua turbia: 500 mlTenemos dos cuadros ya que utilizamos dos vasos precipitados ya que el primero se llen y utilizamos otro y comenzamos de cero, por eso manejamos dos tablas con diferentes datos.El en primer cuadro nos muestra los datos obtenidos que son el tiempo y las cantidades en ml del primer vaso que utilizamos. CANTIDADES EN MLTIEMPO EN SEGUNDOSOBSERVACION

25113Se tuvo cuidado al manipular el filtro y as evitar que se altere la velocidad de filtracin.

50144

75225

100255

125330

150403

175434

200514

A partir del cuadro anterior se puede graficar las cantidades en ml versus el tiempo, lo que representa la velocidad de filtracin:El segundo cuadro nos muestra los datos obtenidos que son el tiempo y las cantidades en ml del segundo. CANTIDADES EN MLTIEMPO EN SEGUNDOSOBSERVACION

2526Se tuvo cuidado al manipular el filtro y as evitar que se altere la velocidad de filtracin.

50104

75136

100210

125250

150335

A partir del cuadro anterior se puede graficar las cantidades en ml versus el tiempo, lo que representa la velocidad de filtracin:5.1Experimento 1 sedimentacinSe represent la altura del slido frente al tiempo en cada momento. La curva descrita en los resultados se elabor a partir de los datos observados durante la decantacin procesada y graficado por el software Excel versin 2010. Gracias a las herramientas del software mencionado se agreg sobre la curva la lnea de tendencia la que nos dio a comprender que la relacin entre ambas variables (tiempo y altura) es directa y positiva, adems de la ecuacin de regresin lineal con lo cual se pudo determinar el valor numrico de la velocidad de decantacin.Resultados del primer experimento:

Siendo la velocidad de decantacin: 1,6353 cm/minComo se ha citado anteriormente, la mayora de los autores entre los que se encuentran Escobar (2008) y Castillo (2011) determinan la velocidad de decantacin de manera similar, siendo importante resaltar la cantidad de datos tomados (nuestra muestra es mucho menor a la de ellos), pero para fines didcticos se comprueba que nuestro anlisis es vlido.5.2Experimento 2 filtracin Antes de todo el objetivo de esta prueba es determinar por medio de la observacin cuanto tiempo se demora en filtrar 500 ml de cantidad de agua y cuanto de agua llega a filtrarse. Sin embargo hay que resaltar que en la industria este proceso se lleva a cabo durante 24 horas, tiempo de accin en el que se aprecia una seccin totalmente incolora y una base de lodo que pasara a ser retirada en otro proceso (Maldonado, 2011).6.CONCLUSIONES Se cumpli con el objetivo general, ya que se comprendi la teora y prctica relacionada con los temas de sedimentacin, filtracin y decantacin, bsicamente la diferencia radica en el uso de sustancias coagulantes que reaccionan con la alcalinidad del agua, para producir un floculo de hidrxido del metal, insoluble en agua, que incorpore a las partculas coloidales y de esa forma acelerar en una primera etapa el proceso de purificacin del agua.

Durante las pruebas en el laboratorio se tom en cuenta un criterio muy observador por parte de nuestros integrantes y se concluye que actitudes como esta son muy tiles para una buena recoleccin de datos, en este caso la toma de tiempo y altura de la interfase para el clculo de la velocidad de decantacin.

Se aplic correctamente las tcnicas de sedimentacin y filtracin, en diferentes productos, que intervinieron en el procesamiento de las operaciones unitarias. De esta manera se cumpli con una de las competencias a lograr con esta experiencia de laboratorio.

Se concluye que el objeto de la sedimentacin es eliminar las partculas suspendidas en el agua y se basa en la atraccin gravitacional donde las partculas ms pesadas tienden a sedimentar. Antes del inicio de la operacin de sedimentacin es necesario realizar un anlisis del tamao de las partculas que contenga el agua, incluso los slidos disueltos, que mediante la coagulacin floculacin se va a separar el lquido del slido.

La velocidad de decantacin se halla por medio de un grfico altura de la interfase en centmetros versus el tiempo en minutos y el valor de esta, por medio del anlisis de regresin de los datos. Estos procedimientos estn validados debido a su uso por otros autores mencionados en la seccin de discusin de resultados.

7.RECOMENDACIONES Se recomienda el uso de instrumentos de medicin ms precisos y su respectivo control de calibracin cada cierto tiempo. Tambin es aconsejable el uso del guardapolvo y la correcta manipulacin de los materiales y equipos (probetas, vasos de vidrio, estufa, etc.) tener en cuenta la seguridad operacional ante todo, como parte de nuestra formacin acadmica.

Previo a iniciar la primera prueba, hay que preparar todos los equipos e instrumentos necesarios, pero en esta la gua especifica que la probeta debe ir acompaada de una escala para medir la altura de la interfase, se recomienda cortar una parte del papel milimetrado y alinear su cuadricula a la par con la escala de volumen de la probeta, tambin es importante tener en cuenta un nivel de referencia apropiado y marcar la escala de altura en centmetros sobre el papel milimetrado.

En la primera prueba que consiste en determinar la velocidad de decantacin y para ello el factor clave es una buena recoleccin de datos (tiempo y altura), se recomienda una correcta manipulacin de la probeta, ya que cuando empieza la decantacin (las partculas suspendidas caen por efecto de la gravedad) no es conveniente con el movimiento remover (alterar) la muestra, ya que de esto depende la correcta recoleccin de datos.

Finalmente se recomienda para la segunda prueba tomar una fotografa ntida, cada cinco minutos a las muestras, y ser muy observador durante la accin de filtracin del agua turbia.

8.BIBLIOGRAFA

Barrenechea A (s.f.). Mezcla. [Acceso: 29 de octubre del 2014]. Disponible en:http://cdam.minam.gob.pe:8080/bitstream/123456789/109/5/CDAM0000012-5.pdf

Castillo M. (2011). Mtodos de Separacin de Mezclas. [Acceso: 29 de octubre del 2014]. Disponible en:http://www.uaeh.edu.mx/docencia/P_Presentaciones/prepa4/quimica/separacion.pdf

Coagulacin-Floculacin. [Acceso: 29 de octubre del 2014]. Disponible en: http://www3.uclm.es/profesorado/giq/contenido/dis_procesos/tema5.pdf

Determinacin Experimental de la Velocidad de Sedimentacin. [Acceso: 29 de octubre del 2014]. Disponible en: http://www.ugr.es/~mgroman/archivos/BIA/Guiones.pdf

Escobar C. (2008). Filtracin. [Acceso: 29 de octubre del 2014]. Disponible en:http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/tesis/ingenie/cristobal_ef/cap02.pdf

Maldonado V. (2011).Filtracin. [Acceso: 29 de octubre del 2014]. Disponible en: http://cdam.minam.gob.pe:8080/bitstream/123456789/109/11/CDAM0000012-10.pdf

Operaciones y procesos de tratamiento de agua cruda para la obtencin de agua potable Ing. Roberto Lazo Camposano. (2010). [Acceso: 03 de noviembre del 2014]. Disponible en:http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Investigacion/Abril_2011/IF_LAZO_FIQ/INFORME%20FINAL_PARTEI.PDF

Ramalho, R.S. Tratamiento de aguas residuales. Ed. Reverte, S.A.

Sedimentacin. [Acceso: 29 de octubre del 2014]. Disponible en: https://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/mgilarra/Fluid/Sedimentacion%202006-2007.pdf