ES2241072T3 - Procedimiento para precipitar o flocular sustancias contenidas de disoluciones. - Google Patents

Procedimiento para precipitar o flocular sustancias contenidas de disoluciones.

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Abstract

PROCEDIMIENTO PARA LA PRECIPITACION O FLOCULACION DE COMPUESTOS QUE ESTAN CONTENIDOS EN SOLUCIONES, PONIENDOSE EN CONTACTO LA SOLUCION CON AL MENOS UN MATERIAL INTERCAMBIADOR DE IONES, QUE ORIGINA LA PRECIPITACION O FLOCULACION DE IONES DE LA DISOLUCION Y/O TIENE EN SU SUPERFICIE GRUPOS FUNCIONALES QUE ACTUAN CATALITICAMENTE PARA LA PRECIPITACION O FLOCULACION.

Description

Procedimiento para precipitar o flocular sustancias contenidas de disoluciones.
La invención refiere a un procedimiento para precipitar sustancias contenidas de disoluciones, de modo que la disolución se pone en contacto con al menos un material intercambiador de iones.
Las sustancias contenidas iónicas, interferentes del agua pueden eliminarse mediante la conversión de éstas en forma de una sal o mineral difícilmente soluble para que se precipiten. Muchos iones metálicos, como por ejemplo los iones Ca^{2+}, Mg^{2+}, Fe^{2+}, Me^{2+}, pueden precipitarse en forma de hidróxidos difícilmente solubles; las reacciones de este tipo pueden controlarse por medio del valor de pH.
Los iones Ca^{2+} del agua se eliminan a escala industrial mediante la precipitación de éstos como CaCO_{3} (cal) (descalcificación). Esta reacción también se controla por medio del valor de pH.
Los términos floculación y sedimentación están estrechamente relacionados con la precipitación de sustancias contenidas en el agua; ya que la eliminación de las sustancias contenidas del agua (precipitadas) implica que éstas también puedan separarse en el agua. En la floculación o sedimentación es fundamental saber cómo pueden crecer posteriormente y/o aglomerarse los productos precipitados. Este comportamiento puede controlarse mediante la adición de determinadas sales (sales de aluminio, sales de hierro).
En el caso de las técnicas de procedimiento tradicionales, es difícil evitar una sobredosificación local durante el aporte del precipitante (por ejemplo, al dosificar la disolución de sosa cáustica o al disolver lentejas de hidróxido de sodio). Una sobredosificación local puede conducir a la precipitación de sustancias contenidas del agua en sí menos solubles que, como proporción de sólido de arrastre, producen entonces condiciones que pueden controlarse mal en el proceso de precipitación posterior.
A partir del documento DE-A 35 34 472 se conoce un procedimiento del tipo nombrado al principio, en el que se añade una mezcla de hidróxido de calcio y zeolitas para el ablandamiento parcial de agua.
El objetivo de la invención es exponer un procedimiento mejorado para precipitar sustancias contenidas de disoluciones, especialmente de agua.
Según la invención, esto se logra mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 1. Concretamente, en el tratamiento del agua o de las aguas residuales, se utilizan materiales intercambiadores de iones para intercambiar iones no deseados por iones deseados o por iones que interfieren menos interferentes para el uso respectivo previsto. Se conocen, por ejemplo, instalaciones de ablandamiento que, por medio de intercambiadores catiónicos, unen iones Ca^{2+} y/o Mg^{2+} en intercambio por iones Na^{+} o H^{+}; con intercambiadores aniónicos (al menos en forma de Cl^{-} u OH^{-}) pueden eliminarse aniones no deseados (NO_{3}^{-}, HCO_{3}^{-}, etc.) del agua. También se conocen procedimientos con los que pueden eliminarse iones Cu^{2+} o iones de metales pesados del agua por medio de intercambio iónico. Todos estos procedimientos tienen en común que los iones eliminados del agua se unen a la resina; si la capacidad de la resina se agota, debe regenerarse; en el proceso de regeneración pueden eliminarse, por ejemplo, los iones de metales pesados del producto regenerado.
Ahora es novedosa la idea de utilizar un material intercambiador de iones para inducir un proceso de precipitación catalítico.
Según la invención, puede utilizarse un material intercambiador de iones especialmente acondicionado como catalizador para la precipitación de sustancias contenidas en el agua. En muchas disoluciones reales se produce la situación en la que, desde el punto de vista termodinámico, la disolución está saturada con respecto a una fase disuelta; sin embargo, no tiene lugar ninguna precipitación en periodos de tiempo finitos, que llevaría a la disolución al equilibrio. Las disoluciones metaestables de este tipo carecen de puntos de crecimiento adecuados en los que la precipitación pueda tener lugar: puntos de crecimiento adecuados son núcleos de cristal de la fase que deben precipitarse o superficies heterogéneas especiales que disminuyen claramente el trabajo de nucleación y que posibilitan así la formación de núcleos heterogéneos en la zona de sobresaturaciones inferiores. Un ejemplo de una disolución de este tipo es el agua que, con respecto a la cal, está sobresaturada.
Se ha descubierto que los sistemas biológicos (lamelibranquios, algas, etc.) pueden desencadenar nucleación específica con ayuda de determinados grupos funcionales. Se ha encontrado especialmente que el grupo carboxilato de determinados ácidos carboxílicos (ácido esteárico, etc.) induce la nucleación de la cal. Como mecanismo de esta reacción se supone que los grupos carboxilato se unen en primer lugar a iones Ca^{2+} del agua y entonces esta combinación puede desencadenar la nucleación de la cal.
Los materiales intercambiadores de iones también obtienen sus características específicas mediante determinados grupos funcionales: los intercambiadores iónicos sumamente ácidos llevan como grupos funcionales activos, por ejemplo, el grupo sulfonato; los intercambiadores iónicos débilmente ácidos tienen como grupos funcionales activos, por ejemplo, el grupo carboxilato (COO^{-}).
Si se carga el grupo carboxilato de un material intercambiador de iones débilmente ácido por medio de un proceso de carga, preferiblemente de manera completa, con iones Ca^{2+}, entonces este material cargado es adecuado para formar en su superficie, de manera catalítica, núcleos de cristal de CaCO_{3} en disoluciones acuosas, que contienen cal.
Un material intercambiador de iones débilmente ácido acondicionado de este tipo puede utilizarse, por ejemplo, como nucleador y gránulo de filtración en instalaciones de descalcificación tradicionales; además, para elevar la velocidad de nucleación y con ello el rendimiento en el procedimiento y el dispositivo descritos en la solicitud de patente alemana DE 19606633 A1.
La eficacia catalítica depende de la fuerza de formación (asociación electrostática) entre el grupo carboxilato y el ión Ca^{2+}: un enlace demasiado fuerte no posibilitaría la asociación de iones carbonato de la disolución, necesaria para la nucleación; un enlace demasiado débil conduciría a la pérdida de Ca^{2+} y con ello a la destrucción del complejo catalítico. La asociación electrostática del grupo carboxilato y el ión Ca^{2+} en la superficie límite material intercambiador de iones/agua está influenciada por un campo eléctrico en la superficie límite. Por tanto, la capacidad catalítica de estos materiales intercambiadores de iones especialmente cargados aumenta cuando éstos se aplican, por ejemplo, sobre los electrodos descritos en la solicitud internacional WO 95/26931 o éstos se producen a partir de ellos y por tanto, los grupos funcionales se modulan o ajustan de manera adecuada con el campo eléctrico intrínseco allí descrito.
Ejemplos de aplicación
A gran escala, la descalcificación de agua que contiene cal se realiza tradicionalmente mediante la adición de determinados productos químicos (lechada de cal, disolución de sosa cáustica, sosa) que aumentan el valor de pH de agua y de esta manera, desplazan mucho el equilibrio cal-ácido carbónico hacia la sobresaturación. La nucleación homogénea utilizada produce núcleos de cristal de cal, en los que la cal disuelta en agua se precipita (los iones Mg^{2+} se precipitan como Mg(OH)_{2}).
El éxito del procedimiento es muy susceptible al modo de control del proceso:
\bullet
El uso de disolución de sosa cáustica para aumentar el valor de pH es problemático, ya que en el lugar de dosificación de la disolución de sosa cáustica se produce localmente un aumento extremo del valor de pH que puede conducir a la precipitación de hidróxidos no deseados. Estos hidróxidos, por ejemplo coloides de Ca(OH)_{2}, se arrastran como cuerpos sólidos en el agua de proceso y dificultan el ajuste del valor de pH necesario tras el proceso de descalcificación.
\bullet
Los problemas debidos al uso de lechada de cal (Ca(OH)_{2}) se deben a la preparación de la disolución de dosificación y a la dosificación: es prácticamente imposible producir una disolución de dosificación que esté libre de coloides de Ca(OH)_{2}. Si estos coloides no se disuelven completamente en la etapa de descalcificación, entonces éstos crean un gran problema en la posterior disminución del valor de pH nece- saria.
La dosificación de lechada de cal añade al agua iones Ca^{2+} adicionales, que precipitan conjuntamente sólo en parte en el posterior proceso de precipitación; frecuentemente debe dosificarse carbonato adicional (en forma de Na_{2}CO_{3} de sosa) para poder eliminar de manera suficiente los iones Ca^{2+} mediante precipitación. Pero con esto se llega a un aumento no deseado del contenido en Na^{+} en el agua.
\bullet
El propósito de un control del proceso óptimo es además una velocidad de nucleación controlada; demasiados núcleos de cristal compiten en su crecimiento y solamente crecen los cristales de cal demasiado pequeños, que sólo pueden separarse con dificultad del agua de proceso (velocidad de sedimentación demasiado pequeña, filtración necesaria).
En la figura 1 se encuentra un esquema de una instalación de descalcificación, que funciona en base a intercambiadores aniónicos sumamente básicos, según una forma de realización no reivindicada.
La figura 2 muestra un dispositivo según la invención para la producción de cristales semilla. Las figuras 3 y 4 muestran otros ejemplos de realización de un dispositivo adecuado para la realización de un procedimiento según la invención.
En primer lugar, mediante la figura 1 se explica una forma de realización no reivindicada:
En la etapa 1 de descalcificación de la figura 1, el agua bruta circula en primer lugar por la conducción 2 a través de un lecho de material 3 intercambiador de iones sumamente básico; por medio de intercambio iónico se aumenta el valor de pH del agua bruta hasta un valor de pH entre 9 y 10 (dependiendo de la capacidad de descalcificación). El control del valor de pH tiene lugar por medio del tiempo de contacto medio del agua bruta con el material 3 intercambiador de iones (circulación de flujo, cantidad de resina). Mediante el aumento del valor de pH se llega a una nucleación homogénea y posteriormente a la precipitación de la cal. La cal precipitada se separa del agua de proceso en la etapa 4 de filtración posterior, según el estado de la técnica, mediante sedimentación y/o filtración (filtro 6 de sedimentación). En una tercera etapa 5, el valor de pH se ajusta opcional-
mente.
Para posibilitar el funcionamiento en continuo de una instalación de este tipo, es útil regenerar de manera continua el material intercambiador de iones. La mejor manera para ello es mediante la eliminación del lecho de una parte del material 3 utilizado parcialmente, por ejemplo por medio de una conducción 7 de aspiración y de alimentación. La cantidad eliminada se sustituye por una cantidad correspondiente de material 3 intercambiador de iones recientemente regenerado, se trata de nuevo (se regenera en la instalación 8 de regeneración, por ejemplo, con ácidos o electrolíticamente, de modo que puede desinfectarse y lavarse simultáneamente) y está disponible para su utilización posterior.
De manera apropiada, la instalación opera (etapa 1) en funcionamiento en lecho fluidizado. Con el mecanismo de alimentación y de evacuación del material intercambiador de iones se extrae periódicamente o continuamente material intercambiador de iones utilizado del lecho fluidizado y se sustituye por nueva resina. Es posible una purificación por medio de las conducciones 9 de regeneración y las salidas 10 de lavado.
Para aumentar el valor de pH hasta aproximadamente 9,5 en un agua dura con una dureza total de 4 mmol/l, un contenido en CID de también 4 mmol/l y un valor de pH de 8,0, se necesitan aproximadamente 1 mmol/l de lejía o iones OH^{-}. Un intercambiador aniónico sumamente básico en forma de OH^{-}, por ejemplo, Lewait MP 600 de la empresa Bayer/5/, tiene una capacidad de normalmente 1 val/l (se parte de una necesidad de 1 mmol/l de iones OH^{-} por litro de agua bruta), así pueden tratarse de manera correspondiente aproximadamente 1000 l por litro de resina.
La cantidad de resina necesaria para una determinada capacidad de tratamiento depende del tiempo de contacto resina-agua necesario para aumentar el valor de pH. Para el agua anteriormente descrita, es necesario un tiempo de contacto de aproximadamente 30 s para el aumento del valor de pH hasta 9,5. Por tanto, para una instalación de descalcificación con una capacidad de 100 m^{3}/h resulta una cantidad de resina necesaria de aproximadamente 850 l.
A continuación se describen formas de realización según la invención:
Precipitación catalítica de cal
Un material intercambiador de iones débilmente ácido, cargado preferiblemente de manera completa con iones Ca^{2+}, por ejemplo, una resina Lewait CNP 80 de la empresa Bayer, desencadena la nucleación de la cal de manera catalítica en disoluciones que contienen cal.
La última resina puede utilizarse por ejemplo para fomentar o sustituir la descalcificación anteriormente descrita. En el control del proceso de la descalcificación es favorable no dejar el valor de pH demasiado alto para no obtener una concentración de núcleos de cristales demasiado alta. Un valor de pH demasiado alto también aumenta el gasto de una posterior disminución del valor de pH; una densidad de los núcleos de cristal demasiado alta conduce a demasiados cristales de cal pequeños, que sólo pueden separarse con dificultad del agua. Una resina débilmente ácida en forma de Ca^{2+} también forma núcleos de cristal en el caso de sobresaturaciones más pequeñas; con el uso de esta resina es posible conducir el proceso de tal manera que el valor de pH no deba controlarse por encima del valor de pH 9 y por tanto la sobresaturación permanezca en un intervalo en el que no se produzca de golpe una alta densidad de los núcleos de cristal.
La CNP 80 convertida puede secarse, molerse y aplicarse como una capa fina sobre un soporte, por ejemplo, sobre los electrodos descritos en la solicitud internacional WO 95/26931. Con el campo intrínseco de un electrodo recubierto de este tipo puede controlarse la actividad catalítica de los grupos funcionales; de esta manera, puede desencadenarse la nucleación específica (este efecto puede utilizarse en el tratamiento del agua para alimentar una cantidad definida de núcleos de cristal de cal al agua de proceso).
En este sentido, la invención no se limita de ninguna manera a materiales intercambiadores de iones conocidos. Solamente es fundamental que el material utilizado pueda llevar grupos activos, que esté en condiciones de captar iones de la disolución y a cambio ceder otros. Estos grupos también deben tener una constante de disociación finita en el líquido considerado.
Para que los materiales posean propiedades catalíticas, es además ventajoso que los materiales que se utilizan presenten una microestructura apropiada para la cristalización. Esto se da entonces, por ejemplo, cuando la matriz básica sobre la que se aplican los grupos es un molde bidimensional que presenta una buena concordancia con los parámetros de red del cristal que va a formarse, de manera que se obtengan los requisitos previos electrostáticos y estereoquímicos como en el cristal que va a formarse. Los grupos activos se preparan entonces de tal modo que al menos se absorba un componente iónico de la sustancia que va a cristalizarse. Entonces en disoluciones sobresaturadas, éste está en condiciones de desencadenar nucleaciones en la fase de contacto.
En relación a esto, los materiales adecuados (matriz o materiales de soporte) son preferiblemente poliacrilato, poliestireno, carbón activado (como granulado o piezas semiacabadas porosas en forma de placas, cilindros, cilindros huecos), que pueden funcionalizarse preferiblemente con un grupo carboxilato. El grupo carboxilato está saturado en la mayoría de los casos en forma de H^{+} debido al proceso de producción. Para utilizar catalíticamente este material, por ejemplo para la cristalización de cal, se sustituyen los iones H^{+} por cationes de sales difícilmente solubles (por ejemplo, Ca^{2+}, Mg^{2+}, Fe^{2+}, Cu^{2+}, etc.), de modo que al final está presente un material intercambiador de iones en forma de los cationes respectivos (forma de Ca^{2+}, forma de Mg^{2+}, forma de Fe^{2+}, forma de Cu^{2+}, etc.). La posición geométrica de los iones Ca^{2+} sobre la superficie de una esfera de resina de poliacrilato de la resina de intercambio iónico débilmente ácida, Lewatit CNP80 de la empresa Bayer se determina mediante la geometría molecular de la matriz de poliacrilato. La superficie así producida ahora posee buenas propiedades electrostáticas y estereoquímicas para la formación de cristales de CaCO_{3}.
Como ya se mencionó anteriormente, las propiedades electrostáticas y estereoquímicas son importantes para la formación inducida de manera catalítica de núcleos de cristal en la superficie respectiva. Las propiedades estereoquímicas y en gran parte también las electrostáticas se ajustan por medio de la estructura del material básico (por ejemplo, poliacrilato), sobre el que se asientan los grupos activos.
Las propiedades electrostáticas pueden influenciarse adicionalmente por un campo electrostático externo. De manera sencilla, esto puede llevarse a cabo mediante la introducción del material de catalizador entre dos electrodos generadores de campo. En concreto, puede conectarse además la pared del recipiente (por ejemplo, de un reactor de lecho fluidizado) como cátodo y colocar en el centro del tanque un ánodo.
Sin embargo, resulta una variante especialmente elegante cuando el material de catálisis se aplica como capa fina sobre un electrodo, como se describe por ejemplo en la solicitud internacional WO 95/26931, y se ajustan las propiedades electrostáticas de la superficie límite catalítica por medio del campo intrínseco.
Otros ejemplos de aplicación Ejemplo 1
Un catalizador de este tipo puede utilizarse para la formación de cristales semilla, que reparte la corriente de agua en el sistema de instalaciones y conducciones posterior. Por tanto, como producto de precipitación se producen cristales semilla. Se sabe que los núcleos de cristal de este tipo pueden evitar, mediante su proceso de crecimiento, la deposición en las paredes de los tubos o registros de calor de los calentadores de agua. Para proteger una instalación de agua potable en el hogar puede utilizarse, por ejemplo, un reactor 11 de lecho fluidizado (volumen de aproximadamente de 6 - 8 litros, 15 cm de diámetro, 60 cm de altura) con un relleno de catalizador (por ejemplo, de 4 litros). El lecho 12 de catalizador está formado, por ejemplo, de un intercambiador catiónico débilmente ácido en forma de Ca^{2+} (por ejemplo, Lewait CNP90 de la empresa Bayer). El agua bruta circula desde la entrada 13 por una bomba 14 y un plato 15 de toberas, así como por una capa 16 de apoyo de arena silícea a través del catalizador 12. Mediante la bomba 14, el lecho de catalizador se mantiene permanentemente en suspensión (circulación) por medio de la válvula 18 antirretorno y la bomba 14. Mediante la corriente y el rozamiento continuos de los granos de catalizador se evita un bloqueo de los granos y además se fomenta el desprendimiento de los núcleos de cristal de la superficie del catalizador. Los núcleos de cristal se reparten por la toma del agua (conducción 17) como cristales semilla en el sistema de instalación conectado.
Ejemplo 2
Un material catalíticamente eficaz, preparado de esta manera es especialmente bueno como residuo para un procedimiento descrito en la patente alemana DE 19606633 A1 para el tratamiento de agua.
En la descalcificación de aguas potables con altos contenidos en cal mediante el aumento del valor de pH por Ca(OH)_{2} (valores de pH normales > 12), se conocen las siguientes desventajas de procedimiento
-
Alto contenido en precipitados turbios en el agua de evacuación del reactor y por tanto, necesidad de una etapa de filtración posterior.
-
El alto valor de pH del agua de producto debe disminuirse considerablemente.
-
Alto consumo de productos químicos.
Mediante el uso de un material catalíticamente eficaz en el reactor (por ejemplo, intercambiador catiónico débilmente ácido en forma de Ca^{2+}) pueden evitarse casi completamente estas desventajas anteriormente mencionadas. El valor de pH sólo debe aumentarse poco (a 9 como máximo) para producir en las superficies catalíticas una nucleación suficiente. Como consecuencia pueden ahorrarse sobre todo productos químicos, una etapa de filtración o etapa de neutralización.
En los ejemplos de realización representados en las figuras 3 y 4 se combina el tratamiento del agua con un material 12 intercambiador de iones catalíticamente eficaz, que está dispuesto en un recipiente 11, con preferiblemente un aparato 19 para el tratamiento físico del agua. Un aparato para el tratamiento físico del agua de este tipo puede funcionar por ejemplo de manera electrostática. Preferiblemente son adecuados aparatos para el tratamiento físico del agua como se describen en la solicitud internacional WO 95/26931 y en la solicitud de patente alemana DE 19606633.
De manera más adecuada, el agua que va a tratarse, especialmente para la descalcificación, se conduce por medio de una bomba 14 en el circuito a través del material intercambiador de iones. El aparato 19 para el tratamiento del agua puede estar integrado en este circuito (figura 3) o bien conectado posteriormente al circuito (figura 4).

Claims (14)

1. Procedimiento para precipitar sustancias contenidas de disoluciones, de modo que la disolución se pone en contacto con al menos un material intercambiador de iones, caracterizado porque el material intercambiador de iones presenta grupos funcionales en su superficie, que están cargados con contraiones, de modo que la precipitación se produce de manera catalítica, es decir, sin un intercambiador iónico del contraión, con iones de la disolución.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque los contraiones son cationes.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque los contraiones son iones Ca^{2+}, Fe^{2+} o Cu^{2+}.
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los grupos funcionales están cargados al menos con un componente iónico de la sustancia que debe cristalizar.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque para la nucleación de la cal en agua se utiliza de forma catalítica preferiblemente un material intercambiador de iones débilmente ácido en forma de Ca^{2+}.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se utiliza un material intercambiador de iones débilmente ácido, cuyos grupos funcionales son grupos carboxilato (COO^{-}) que llevan los contraiones, preferiblemente Ca^{2+}.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el material intercambiador de iones en la zona de su superficie puesta en contacto con la disolución se expone preferiblemente a un campo eléctrico ajustable.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque los electrodos generadores de campo se disponen en o sobre el material intercambiador de iones, de modo que entre ellos no se encuentra ninguna disolución.
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la disolución que va a tratarse (preferiblemente por medio de una bomba) se conduce por el circuito al lado del material intercambiador de iones o a través de éste.
10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la disolución que va a tratarse, preferiblemente agua, se conduce por un lado, al lado del material intercambiador de iones o a través de éste y por otro lado, mediante un aparato para el tratamiento preferiblemente físico del agua.
11. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque las sustancias contenidas que van a precipitarse son sustancias contenidas en agua.
12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el material intercambiador de iones consta de poliacrilato, poliestireno o carbón activo, cuya superficie está dotada con los grupos funcionales.
13. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque las sustancias contenidas precipitadas se eliminan en otra etapa de la disolución.
14. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque mediante la precipitación de las sustancias contenidas se forman cristales semilla.
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