"Proceso de purificación de aguas con Ozono" by Andres Arturo

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química

Proyecto Final "Proceso de purificación de aguas con Ozono"

Andrés Buenaventura - Rosa Idalia Rúa -– Édison Guevara – Eylen Tatiana Duran – Olga Lucía Hernández. Universidad Nacional Abierta y a Distancia – UNAD Escuela de Ciencias Básicas Tecnología e Ingeniería Programa de Química Diciembre de 2015 PROCESO DE PURIFICACIÓN DE AGUAS CON OZONO

El ozono es un compuesto formado por tres átomos de oxígeno, cuya función más conocida es la protección frente a la peligrosa radiación ultravioleta del sol; pero también es un potente oxidante y desinfectante con gran variedad de utilidades. La más destacada es la desinfección de aguas.

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química El ozono es un gas azul pálido e inestable, que a temperatura ambiente se caracteriza por un olor picante, perceptible a menudo durante las tormentas eléctricas.

a) objetivos, usos y alcances del proceso, incluyendo una amplia descripción sobre los países e industrias que hacen uso del mismo. Asimismo, se deben explicar los impactos económicos, sociales y ambientales que genera el proceso.

Objetivo

Inactivar microorganismos patógenos resistentes al cloro, sin riesgo de generar compuestos tóxicos por medio de la oxidación y desinfección, favoreciendo la eficiencia de otras etapas del proceso y descontaminándola al cien por ciento.

Usos y Alcances del proceso

Debido a sus poderosos efectos oxidantes y bactericidas, el ozono se utiliza para renovar el aire en atmósferas confinadas y para la esterilización y el tratamiento de las aguas. El interés de las aplicaciones del ozono en el tratamiento del agua es debido tanto a sus características oxidantes especialmente energéticas, aprovechadas para degradar o eliminar ciertas sustancias orgánicas o minerales no deseables, como a su extremado poder bactericida y virulencia.

La ozonización es ampliamente utilizada en el tratamiento de las aguas, tanto potables como residuales. Permite la eliminación de compuestos tanto orgánicos como inorgánicos, reduciéndose el TOC, olor, color, sabor y turbidez de las aguas, así

como

compuestos

farmacéuticos).

refractarios

(sustancias

tóxicas

compuestos

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Aunque es necesaria su generación “in situ” (mediante “descargas eléctricas silenciosas”) y su coste inicial es alto, es un potente desinfectante debido a su alta reactividad y poder de reducción.

La ozonización se incluye dentro de los Procesos de Oxidación Avanzada (AOPs), que se definen como “procesos de oxidación que implican la generación de radicales hidroxilo en cantidad suficiente para interaccionar con los compuestos orgánicos del medio”.

•

Se usa para el tratamiento de aguas en la industria, acueductos y embotelladoras, ya que el ozono, después de utilizado, se convierte en oxígeno. Así vuelve al aire y tiene un olor similar al que hay después de un aguacero.

•

Desinfectante efectivo frente a un amplio rango de microorganismos.

•

Descomponer compuestos recalcitrantes como los restos de tintes de los efluentes de industria textil.

•

Actuar rápidamente y ser efectivo a bajas concentraciones en un amplio rango de pH.

El método de la purificación por ozono es usado en Moscú, en la gran mayoría de Estados Unidos y la planta de abastecimiento de Niza (Francia), en donde se recicla el agua que tiene contaminación fecal y otros gérmenes. En Europa y Estados Unidos se usa en las piscinas de aguas dulces o de mar 1.

Se está implementando en más de 3000 ciudades en todo el mundo. En Mónaco se viene utilizando el ozono para el tratamiento del agua desde 1860 y en Paris desde 1903. Actualmente en los ángeles cuenta con el servicio de generación más grande del mundo2.

Tener un bajo coste, ser seguro y fácil de transportar, manejar y aplicar. • Asegurar la calidad y potabilidad del agua resultante de los procesos de potabilización. • Permitir la utilización del agua disponible en pozos y veneros como agua potable. • Purificación del agua procedente de EDAR para su posterior reutilización en riegos, fuentes, actividades recreativas, etc., con el ahorro que dicha reutilización supone, tanto en términos de agua potable como económicos. • Recuperación de aguas de vertido industrial, lo que supone asimismo una ventaja económica además de ambiental.

Impacto económico

Tiene un bajo costo, por ser seguro y fácil de transportar, manejar y aplicar. •Permite ahorro por la reutilización y recuperación de las aguas de vertido industrial. Impacto ambiental Recuperación de los recursos hídricos, minimizando los efectos adversos que la sobreexplotación y el aumento de población en regiones urbanas significan en cuanto a consumo de agua potable e incremento en la generación de aguas residuales, así como actuando en regiones rurales, recuperando el agua

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química contaminada de veneros, lagunas y pozos mediante un sistema eficaz de desinfección del agua que la haga apta para el consumo humano 3. En los vertidos industriales, el ozono es capaz de mejorar la composición de las aguas, al ser capaz de oxidar, descomponiendo los agentes químicos de diversa naturaleza, convirtiéndolos en compuestos menos o nada tóxicos, incluidos los compuestos resultantes de tintes de la industria textil.

b. Aspectos históricos, científico o industria que desarrolló el proceso. El ozono O3 es una molécula compuesta por tres átomos de oxígeno.

existencia del ozono fue supuesta desde 1871 por Van Marum, que notó su olor en el aire atravesado por descargas eléctricas, y fue finalmente descubierto y denominado - del término griego “ozein”, oler – en 1840 por Schömbein. Marignac, Becquerel y Fermi investigaron y establecieron la naturaleza del ozono, y su fórmula y constitución fueron más tarde determinadas y dadas a conocer por las investigaciones de J. L. Soret.

Van Mauten informó por primera vez la existencia de la capa de ozono en 1785. Schlobein fue el primero en aislar, en 1840. El ozono se utilizó ya en 1893 para la desinfección del agua potable en Holanda. Niza, Francia ha empleado la ozonización del agua potable desde 1906 (Nickols, et al, 1992). Los europeos

utilizaron el ozono para el tratamiento de piscinas durante la década de 1950 para eliminar la irritación de los ojos y la piel causada por el cloro. En 1980, había más de 1.100 instalaciones de tratamiento de agua que utilizan ozono, principalmente en Europa (Coate, 1997). Hoy en día, más de 2.000 plantas de tratamiento de agua en todo el mundo utilizan la ozonización para la desinfección (Nicolás, et al, 1992).

La desinfección practica en los Estados Unidos, se ha desarrollado principalmente en torno a la utilización del cloro. Debido a la formación de subproductos, la ozonización se ha convertido en un método alternativo para evitar la formación de compuestos orgánicos halogenados causados por cloración. Nickols, et al, 1992. Antes de la Segunda Guerra Mundial, varias plantas de tratamiento de agua en Nueva York, Pensilvania e Indiana experimentaron con ozono. Hasta 1990 había cerca de 40 plantas de tratamiento de agua en Estados Unidos que estaban equipadas con instalaciones de ozonización, incluyendo la tercera planta más grande del mundo, que se encuentra en Los Ángeles.

c. Descripción de las fases y etapas del proceso, incluyendo las ecuaciones de las reacciones químicas involucradas.

La ozonización se incluye dentro de los Procesos de Oxidación Avanzada (AOPs), que se define como “procesos de oxidación que implican la generación de radicales hidroxilo en cantidad suficiente para interaccionar con los compuestos orgánicos del medio”.

La acción oxidante del ozono se presenta de tres diferentes formas Como oxidante, fijando uno de sus átomos de oxígeno.

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química Como oxidante, fijando sus tres átomos de oxígeno en un enlace doble o triple. Como catalizador del oxígeno, acelerando la velocidad de las reacciones de oxidación en el aire ozonizado. La molécula de ozono es una forma alotrópica triatómica del oxígeno termodinámicamente inestable, descomponiéndose espontáneamente a oxígeno. Las reacciones con ozono se pueden producir por dos mecanismos: Las reacciones directas que son muy selectivas, atacando a dobles enlaces y algunos grupos funcionales; y las reacciones indirectas que son consecuencia de la acción de los radicales hidroxilos resultantes de la descomposición del ozono en el agua. El método más ampliamente utilizado para la generación de ozono para el tratamiento de aguas son las descargas en corona, o también conocidos como “descargas eléctricas silenciosas”. Consiste en pasar oxígeno en forma gaseosa a través de dos electrodos separados por un dieléctrico y un hueco de descargas. Se aplica un voltaje a los electrodos, causando que un electrón fluya a través del hueco de descargas. Esos electrones suministran la energía para disociar las moléculas de oxígeno, produciéndose así la formación de ozono. El ozono es muy inestable y vuelve a convertirse en O 2 en pocos minutos. Por ello, el ozono debe generarse in situ.

Proceso para generar ozono

Para la purificación del agua se debe contar con la generación del ozono, como se muestra en la figura anterior, posterior a esto el ozono generado pasa a la plata de tratamiento para el proceso de purificación. La transferencia del ozono al agua se rige por la LEY DE HENRY, es decir, que las cantidades disueltas van en función de la presión parcial en el punto de aplicación y la temperatura en la interface agua-gas.

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química La reacción de formación del ozono es 3 O2 = 2 O3 + 0,82 Kwh. / Kg El ozono puede generarse a partir de una de tres fuentes, con diferentes concentraciones de ozono obtenido (Towles, 1.997, a): Del aire ambiente - 0,15 a 1,0% de ozono Secaron al aire a un punto de rocío de -40 a -65 C - 1,0 a 3,0% de ozono Oxígeno para la alimentación - 4,0 a 6,0% de ozono

d) Propiedades físicas de los compuestos implicados: peso molecular, densidad, estructura tridimensional, ángulos y longitud de enlace, puntos de fusión y ebullición, energía de disociación de enlace, entalpía de formación y carga parcial.

Nombre químico

ozono

Masa molecular relativa

48 g/L

Volumen molar

22,4 m3

Densidad (gas)

2,144 g/L a 0ºC

Densidad (líquido)

1,574 g/cm3 a - 183ºC

Punto de fusión -251,4ºC

-251,4ºC

Punto de ebullición -110,5ºC

-110,5ºC

Densidad relativa frente al aire

1,3 veces más pesado que el aire Inestable y susceptible de explosionar fácilmente

La molécula de ozono es una forma alotrópica triatómica del oxígeno termodinámicamente inestable, descomponiéndose espontáneamente a oxígeno. Es un oxidante fuerte, segundo después de los radicales hidroxilo libres, capaz de participar en numerosas reacciones químicas con sustancias inorgánicas y orgánicas. Las reacciones con ozono se pueden producir por dos mecanismos: las reacciones directas son reacciones son muy selectivas, atacando a dobles enlaces y algunos grupos funcionales; y las reacciones indirectas son consecuencia de la acción de los radicales hidroxilos resultantes de la descomposición del ozono en el agua. El ozono es un compuesto formado por tres átomos de oxígeno, cuya función más conocida es la protección frente a la peligrosa radiación ultravioleta del sol; pero también es un potente oxidante y desinfectante con gran variedad de utilidades. La más destacada es la desinfección de aguas. El ozono es un gas azul pálido e inestable, que a temperatura ambiente se caracteriza por un olor picante, perceptible a menudo durante las tormentas eléctricas

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La molécula presenta una estructura molecular angular, con una longitud de enlace oxígeno de 1,28 Å; se puede representar de la siguiente manera:

Estructura del ozono (O3): es una forma alotrópica del oxígeno producida por la activación de la molécula de O2 en una reacción endotérmica.

e. Propiedades químicas de los compuestos implicados: estado de oxidación y configuración electrónica de los elementos que componen el compuesto. Reactividad frente a agua, ácidos fuertes y débiles, bases fuertes y débiles. Se deben incluir las ecuaciones debidamente balanceadas así como los valores de energía libre de reacción, energía libre de reacción estándar y entalpía de reacción. El ozono es un compuesto formado por tres átomos de oxígeno, cuya función más conocida es la protección frente a la peligrosa radiación ultravioleta del sol; pero también es un potente oxidante y desinfectante con gran variedad de utilidades. La más destacada es la desinfección de aguas. El ozono es un gas azul pálido e inestable, que a temperatura ambiente se caracteriza por un olor picante, perceptible a menudo durante las tormentas eléctricas. Nombre químico

ozono

Fórmula empírica O3

f. Aspectos de seguridad para la manipulación y disposición del compuesto, pictogramas, frases R y S e impactos medioambientales. Tabla 1. Datos de seguridad del ozono (phoenixozono). Límite de exposición según la OSHA

8 horas por día, 5 días por semana (límite de exposición ocupacional) a 0,1 ppm. 15 minutos a 0,3 ppm (límite de

exposición a corto plazo) Límites de exposición según la norma Trabajo pesado: 0,05 ppm Trabajo COVENIN

moderado: 0,08 ppm Trabajo liviano: 0,1 ppm Cargas de trabajo pesado,

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química moderado o ligero (≤ 2h): 0,2 ppm Límites de exposición según la norma Dosis de ozono en aire 0,05 ppm para COVENIN el público en general Pasos a seguir en caso de derrame o 1.- Apagar el generador de ozono. 2.fuga

Aislar y ventilar el área. 3.- Comunicar al personal. 4.-Bloquear la entrada al sitio donde ocurre el hecho. 5.-Seguir

Almacenaje y eliminación

las regulaciones de la OSHA. El ozono es muy inestable y no se puede

almacenar,

dado

que

convierte rápidamente en oxígeno. Para diluir y dispersar la concentración de ozono se recomienda ventilar el área Protección del empleado en contacto Protección respiratoria (0,3 – 10 ppm), con ozono

usar respirador tipo Canister (carbono). >10 ppm, usar aparato para respiración (SCBA) aprobado por MISH/NIOSH Protección ocular >10 ppm, anteojos de

Controles de ingeniería

seguridad para productos químicos Instalar en el lugar de trabajo controles de ingeniería que permitan controlar los niveles de gas ozono por debajo de los límites recomendados por las Normas Internacionales.

continuación

presentan algunas recomendaciones: *

Desarrollar prácticas estándar en los lugares

procedimientos

trabajo de

establecer

emergencia.

Capacitar a los empleados en la operación del equipo y procedimientos de seguridad y emergencia. Pictogramas Datos ambientales

Esta sustancia puede ser peligrosa para el medio ambiente; debe prestarse atención especial a los vegetales.

g. Comparación del proceso industrial con otros de objetivos análogos, con la descripción de las ventajas y desventajas de cada uno

Evaluar la eficiencia y sostenibilidad en la gestión de los recursos hídricos, en cuanto a su aplicación en el proceso de potabilización. Mayor control de los iones bromato y la reducción de costos. La concentración de iones bromato en aguas tratadas con ozono es baja según estudios realizados en varias plantas potabilizadoras en Europa y EUA. Teniendo en cuenta todos estos aspectos se concluye que el empleo del ozono en la potabilización tiene un impacto favorable, dada su eficiencia y potencialidades, lo que a su vez contribuye al desarrollo sostenible. En primer lugar, debido al fuerte poder oxidante la calidad de la desinfección con ozono es muy superior a la que se consigue con un tratamiento con cloro. De esta forma, se consiguen eliminar virus, bacterias y microorganismos en general clororesistentes. Gracias también a este elevado potencial de oxidación conseguimos

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química precipitar metales pesados que pueden encontrarse en disolución y eliminar compuestos orgánicos, pesticidas, y todo tipo de olores y sabores extraños que el agua pudiera contener. Otra de las importantes ventajas del uso del ozono frente al cloro es la rapidez con la que actúa lo cual nos permite realizar tratamientos muy efectivos en pocos segundos o minutos cuando para realizar un tratamiento de desinfección con cloro es necesario un tiempo de contacto muy superior.

Efectos principales de o zonación del agua potable Desinfección bacterial e inactivación viral Oxidación de inorgánicos como hierro, manganeso, metales pesados ligados orgánicamente, cianuros, sulfures y nitratos. Oxidación de orgánicos como detergentes, pesticidas, herbicidas, fenoles, sabor y olor causados por impurezas.

Desinfección e inactivación viral Bacterias y la inactivación viral se relacionan con la concentración del ozono en el agua y su duración de contacto con los microorganismos. Las bacterias son las que más rápidamente son destruidas. Las bacterias E-Coli son destruidas por concentraciones de ozono de un poco más de 0,1 mg/litro y una duración de contacto de 15 segundos a temperaturas de 25 ºC y 30 ºC . Streptococcus tecalis

son destruidos mucho más fácilmente. A concentraciones de ozono de aproximadamente 0,025 mg/litro, se obtiene un 99,9% de inactivación en 20 segundos o menos a ambas temperaturas. Los virus son más resistentes que las bacterias. Estudios pioneros por científicos de Salubridad Pública Francesa en los años 60 han demostrado que el poliovirus tipos I, II y III quedan inactivados por medio de exposición a concentraciones de ozono disuelto de 0,4 mg/litro por un período de contacto de cuatro minutos.

Oxidación de inorgánicos:

En el caso del hierro, el manganeso, y de varios compuestos arsénicos, la oxidación ocurre muy rápidamente, dejando compuestos insolubles que se puede quitar fácilmente por medio de un filtro de carbón activado. Iones de sulfuro son oxidados a iones sulfatos, una sustancia inocua.

Oxidación de orgánicos

El ozono es un agente muy poderoso en el tratamiento de materiales orgánicos. Los orgánicos son naturales (ácidos de humectación y fúmicos) o sintéticos (detergentes, pesticidas) en esencia. Algunos orgánicos reaccionan con ozono muy rápidamente hasta la destrucción, dentro de minutos o aún segundos (fenol, ácido fórmico), mientras otros reaccionan más lentamente con ozono (ácidos de humectación y fúmicos, varios pesticidas, tricloretano etc.). En algunos casos, los materiales orgánicos son oxidados solamente parcialmente con ozono. Una ventaja principal de oxidación parcial de materiales orgánicos es que al oxidarse parcialmente, los materiales orgánicos se polarizan mucho más que originalmente,

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD NOMENCLATURA INORGANICA Proyecto Final Fecha: 18/11/2015 Programa: Química produciendo materiales insolubles complejos que se pueden quitar con filtros de carbón activado.

Eliminación de turbidez:

La turbidez del agua se elimina por ozonización a través de una combinación de oxidación química y neutralización de carga. Las partículas coloidales que causan turbidez son mantenidas en suspensión por partículas de carga negativas que son neutralizadas por el ozono. El ozono además destruye los materiales coloidales por medio de la oxidación de materias orgánicas.

Eliminación de olores, colores y sabores

La oxidación de la materia orgánica, metales pesados, sulfuros y sustancias extrañas, produce la supresión de sabores y olores extraños que el agua pudiera contener, proporcionando una mejora en la calidad y el aspecto del agua, haciéndola más adecuada para su consumo y disfrute. El tratamiento de agua con ozono

La técnica se basa, fundamentalmente, en lograr un tiempo de contacto adecuado del agua, con la cantidad adecuada de ozono. Concentraciones de entre 0.5 y 0.8 mg/l de ozono durante unos tres o cuatro minutos son suficientes para conseguir una calidad de agua excepcional y desinfectada. Tras el tratamiento, el ozono se descompone en oxígeno tras varios minutos no dejando ningún tipo de residual, pero por consiguiente, tampoco existirá ningún residual desinfectante que pudiera prevenir el crecimiento bacteriológico. En los casos en los que sea necesario asegurar que el agua de consumo ha sido recién tratada con ozono, el sistema de ozonización se realizará en un depósito con un caudal de recirculación, en donde mediante un inyector vénturi se añadirá la producción de ozono adecuada, esta cantidad de ozono y por tanto, la concentración de ozono residual en el depósito depende, en primer lugar, de las características de producción del equipo, y en segundo lugar, del tiempo de funcionamiento y parada del mismo.

Es decir,

mediante el temporizador, es posible aumentar y disminuir el tiempo de producción y de parada consiguiendo en estado estacionario una mayor o menor concentración de ozono. Para sistemas más complejos de regulación y control puede instalarse una sonda de medición de ozono residual en el agua que actúe directamente sobre la producción del equipo para alcanzar el valor de consigna preestablecido como el ideal de concentración de ozono en el agua.

En función del tipo de instalación y la demanda pueden existir otras muchas posibilidades como puede ser inyectar el ozono directamente en la tubería mediante un by-pass o instalar el generador de ozono directamente en el grifo de consumo.

En definitiva, un tratamiento con ozono nos permite disfrutar de un agua de excelente calidad libre de microorganismos patógenos y en ausencia de cloro y todos los problemas que este agente biocida conlleva.

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El tratamiento de agua con ozono se viene utilizando desde hace más de 100 años como un método muy eficaz para la purificación del agua. Actualmente, la ozonización del agua está ganando aceptación a nivel mundial, principalmente como alternativa a los productos químicos tradicionales.

En el tratamiento del agua, el ozono actúa como el agente oxidante natural más rápido y efectivo que existe. Es un poderoso bactericida, virulicida y fungicida. El ozono destruye los microorganismos rompiendo por oxidación su capa protectora (lípidos). El ozono es 12 veces más soluble en el agua que el oxígeno. Los productos químicos actúan por envenenamiento. Los productos químicos actúan por envenenamiento enzimático de los centros vitales, por lo que el ozono resulta ser miles de veces más rápido que los mencionados agentes químicos.

El uso del ozono en el tratamiento del agua permite conseguir, entre otras, las siguientes aplicaciones: Acuicultura y piscicultura. Decoloración completa del agua. Desinfección de botellas y recipientes. Desinfección de conductos y utensilios.

Disminución considerable del contenido de detergentes. Eliminación completa de los fenoles. Eliminación de los sabores y olores indeseables. Eliminación de nitritos. Eliminación de orgánicos como pesticidas, herbicidas, fenoleles. Embotellado de bebidas. Inactivación de virus. Lavado de botellas y recipientes. Lavado de frutas y verduras. Precipitación del hierro y manganeso. Reducción de DBO Y DQO. Torres de refrigeración. Transformación de alimentos. Tratamiento aguas subterráneas. Tratamiento de agua potable y residual.

REFERENCIAS Recuperado

noviembre

2015

www.scielo.org.mx/scielo.php?

script=sci_arttext&pid=S0188 Recuperado

noviembre

2015

www.cosemarozono.com/descargas/recuperacion_aguas_residuales.pdf Ficha

Seguridad

ozono.

Disponible

en:

http://www.phoenixozono.com/assets/ficha-t%C3%A9cnica ozono.compressed.pdf