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EL OZONO EN EL TRATAMIENTO DEL AGUA
INTRODUCCION
El ozono fue descubierto en 1785 por Van
Mauten y es en 1857 cuando Werner von Siemens
diseña un generador de ozono. En 1893 se usó por
primera vez para desinfección del agua en
Holanda, y 1906 se aplica en una planta de
tratamiento en Niza por la
Compagnie Générale des Eaux de Bon Voyage . En los últimos 25 años, los
mayores avances y desarrollos en este campo, han
propiciado una importante mejora en los equipos
productores y un mayor empleo en la
desinfección del agua.
El ozono, forma alotrópica del
oxígeno, es un oxidante muy enérgico, es
utilizado como tal en la desinfección del agua,
está comprobada su eficacia en oxidación de
materias orgánicas e inorgánicas (entre éstas
ultimas destacan el hierro y manganeso). Su
poder oxidante y desinfectante, mayor que el del
cloro, le hace más eficaz que éste en la
eliminación del olor, sabor y color del agua,
así como en la eliminación de bacterias, virus y
otros microorganismos. Su potencial de oxidación
es 2,07 voltios, mientras el del cloro es 1,36
voltios, (el del dióxido de cloro es 0,95 V, el
del permanganato potásico es 1,68 V, el del agua
oxigenada es 1,76 V)
ACCION DEL OZONO SOBRE E.COLI
La ozonización (algunos llaman
ozonación) es una buena alternativa a la
cloración, (principalmente en la preoxidación),
cuando en el agua hay fenoles y otras sustancias
orgánicas precursoras de trihalometanos. Los
fenoles por la adición de cloro forman
clorofenoles de sabor y olor muy desagradables,
aún en concentraciones tan pequeñas como 0,01 mg./l..Los
precursores de trihalometanos suelen ser
sustancias orgánicas naturales como los ácidos
húmicos , fúlvicos y tánicos, generalmente de
procedencia vegetal , que a la vez comunican a
las aguas superficiales una determinada
coloración. Sobre estas sustancias orgánicas,
con enlaces dobles entre átomos de carbono,
actúa el ozono rompiéndolos y a medida que esto
sucede, no solo el color va desapareciendo, sino
que los propios precursores de los
trihalometanos se van eliminando.
El ozono se utiliza en el tratamiento del
agua desde hace más de 100 años, y si su empleo
en este campo no está más extendido es debido a
su mayor costo con respecto a los otros
desinfectantes generalmente empleados, sin
embargo y debido a las mayores exigencias en las
distintas reglamentaciones, especialmente en la
reducción de subproductos derivados de la
desinfección, está originando un mayor interés
en la aplicación de sustancias que originen
menos subproductos en el agua, así como una
mayor reducción del sabor y olor del agua
tratada. El ozono es más potentey de más rápida
acción como desinfectante que el cloro, el
dióxido de cloro y las cloraminas.
Es un oxidante fuerte y sus reacciones se
realizan dos mecanismos: 1) reacciones directas
que atacan a los dobles enlaces y algunos grupos
funcionales; 2) reacciones indirectas son son
debidas a la acción de los radicales
hidroxilos que se originan al
descomponerse el ozono en el agua.
En la
potabilización del agua el ozono se puede aplicar en las
diferentes fases o etapas del proceso: Como preozonización
se realiza al comienzo del tratamiento incorporandolo al
agua bruta, con lo cual a la vez que se realiza una
primea desinfección
se puede eliminar
el hierro y manganeso y también ayudar al proceso de
coagulación, especialmente en aguas con elevada dureza. Como
ozonización intermedia se puede aplicar antes de la
filración y en este caso además de oxidar a la materia
orgánica natural favorece su eliminación biológica en los
filtros de arena. Como postozonización se emplea en la fase
final a la salida de la planta. A veces suele utilizarse
simultaneamente en dos de las etapas de tratamiento o en las
tres mencionadas.
El ozono actúa de
forma muy eficaz en la eliminación de numerosas sustancia
que dan olor y sabor al agua, a este respecto estas
sustancias se pueden englobar en varios grupos: 1)
Compuestos inorgánicos que originan sabor como el hierro,
manganeso, cobre y cinc y compuestos inorgánicos que dan
olor como es el caso del ión sulfhídrico SH- . 2)
Compuestos orgánicos, subproductos del metablolismo de
ciertas algas cianofíceas y actinomicetos, como la
geosmina y el 2-metilisoborneol (MIB), así como de otras que
originan principalmente alcoholes, aldehidos aromáticos,
cetonas y esteres.
También la oxidación de algunos aldehidos precisamente con
el ozono originan sustancias que provocan olor y sabor. 3)
Contaminantes de origen industrial como pesticidas,
disolventes, etc. 4) Subproductos generados al reaccionar el
cloro residual con materia orgánica ya sea en la planta o en
la planta o en la red de distribución.
Para eliminar la
mayor parte de estos compuestos se muestra muy eficaz la
combinación de la ozonización y la filtración sobre carbón
activo así como también muestran gran eficacia los procesos
de oxidación avanzada (AOP), combinando el ozono con agua
oxigenada o con radiaciones ultravioleta. En relación con la
ozonización y filtración sobre carbón activo hay que señalar
que en muchos casos la capacidad de adsorción del carbón
activo se ve disminuida cuando se aplica la ozonización
previa sobre algunos tipos de materia orgánica natural del
agua (MON), ya que si por un lado es cierto que la
ozonización es favorable al fraccionamiento de la MON
dando moléculas de menor peso molecular, más facilmente
adsorbibles sobre el carbón activo, por otra parte hay que
considerar que generalmente estas moléculas de menor peso
molecular provocan un aumento de la acidez y una mayor
solubilidad en el agua, lo cual origina una mayor dificultad
para ser adsorbidas por el carbón activado. Por tanto en
estos casos de efectos contrapuestos, lo más conveniente
suele ser conjugar y valorar ambos efectos. La
preozonización es favorable para la adsorción de los ácidos
húmicos sobre el carbón y sin embargo la preozonización
influye en menor medida en la adsorción de los ácidos
fúlvicos. La ozonización de las sustancias húmicas puede dar
lugar generalmente a un descenso el formación potencial de
trihalometanos(THMFP), aunque hay que señalar que en ciertos
casos en aguas con elevados contenidos de ión bromuro, la
ozonización de estas aguas favorece la formación de
trihalometanos bromados como resultado de la oxidación del
ión Br para formar BrOH.
El ozono se forma de manera
natural en los niveles altos de la atmósfera por
la acción de las radiaciones UV procedentes del
Sol, que produce la disociación iónica de la
molécula de oxigeno y la reacción posterior de
los iones formados con nuevas moléculas de
oxigeno. A niveles más bajos de la atmósfera, se
forma ozono gracias a la energía desarrollada
por las descargas eléctricas en las tormentas,
transformando el oxigeno en ozono.
También puede generarse ozono
en el arco producido en el proceso de soldadura
y cuando algunos componentes de los gases de
escape de los automóviles e industrias,
reaccionan con la luz del Sol. El ozono es 12,5
veces más soluble en agua que el oxigeno. La
solubilidad del ozono en agua depende de la
temperatura de ésta y de la concentración de
ozono en la fase gaseosa.En el cuadro siguiente
se reflejan datos de solubilidad
|
Concentración
O3
|
5 ºC
|
10ºC
|
15ºC
|
20 ºC
|
|
1,5 %
|
11,10
|
9,75
|
8,40
|
6,43
|
|
2 %
|
14,80
|
13,00
|
11,20
|
8,57
|
|
3 %
|
22,18
|
19,50
|
16,80
|
12,86
|
Es muy inestable,
motivo este que obliga a generarle insitu, en la
propia planta de tratamiento de agua. Se
descompone rápidamente, volviendo a originar
oxigeno diatómico. La mitad de la vida del ozono
en el aire es de unos 20 minutos en el agua es
muy variable, dependiendo de diversos factores (
temperatura, pH , sustancias presentes en el
agua, etc.), puede variar de 1 minuto hasta 300
minutos. A igualdad de condiciones es más
estable en agua que en el aire. Es 1,3 veces
más denso que el aire.
He aquí
algunas otras propiedades físicas del ozono:
Peso molecular ……………………….48
Temperatura de condensación ………-112 ºC
Temperatura de fusión…….…………. - 192,5 ºC
Densidad....……………………………… 1,32
Densidad (liquido a – 182 ºC)…………..1,572 gr/ml
Peso de un litro de gas (a 0º y 1 atm.)…1,114
gr.
Debido a las propiedades altamente oxidantes del
ozono,éste es un irritante que afecta
especialmente los ojos y el sistema
respiratorio, y puede ser peligroso aun en
concentraciones bajas. Para proteger a los
trabajadores potencialmente expuestos al ozono,
la Administración de Seguridad y Salud
Ocupacional de
los Estados Unidos (OSHA, en inglés) ha
establecido un límite de exposición permisible (PEL,
en inglés) de 0.1 μmol/mol
(29 CFR 1910.1000 Tabla Z-1),
que es calculado como un promedio ponderado de
ocho horas. Los ámbitos ocupacionales en los que
se utiliza el ozono o en los que es probable que
se produzca
deberán tener una ventilación adecuada, y es
prudente contar con un monitor de ozono que haga
sonar una alarma cuando se exceda el PEL de la
OSHA.
Un sistema de ozonización del agua comprende
fundamentalmente tres instalaciones o equipos :
Generación de ozono (ozonizador), contacto del
ozono con el agua (contactor) que suele
realizarse bien por difusores de burbuja o
mediante inyectores del tipo Venturi y el destructor del
ozono residual liberado o desprendido de las
cámaras de mezcla que se suele realizar
por destrucción térmica o bien por destrucción
catalítica con catalizadores de paladio, oxido
de niquel o manganeso.
CÁMARA DE CONTACTO CON DEFLECTORES
DIFUSOR DE TURBINA
OZONIZADORES
En la
producción industrial de ozono puede partirse de
aire u oxigeno puro. Cuando se utiliza aire, la
concentración de ozono a la salida del
ozonizador varía entre el 1 y el 4 por ciento y
si se emplea oxigeno puro, la concentración
suele oscilar entre el 4 y el 12 por ciento en
peso. En cualquier caso, el ozono en su empleo
industrial, ya sea partiendo del aire o del
oxigeno puro, se obtiene por descarga eléctrica
alterna de alta tensión y/o frecuencia, para
evitar la formación de un arco eléctrico
(descarga eléctrica silenciosa), entre dos
electrodos separados por un medio dieléctrico,
generalmente vidrio.
En los ozonizadores
industriales, los dos electrodos son tubos
concéntricos, el exterior de acero inoxidable y
el interior un tubo de vidrio, que consta de
una fina capa metálica depositada en la cara
interna.
El ozonizador está integrado por
múltiples conjuntos de estos pares de
tubos
concéntricos.
La reacción de formación del
ozono es
3 O2 = 2 O3
+ 0,82 Kwh. / Kg
Como alrededor del 80 al 90
por ciento de la energía se convierte en calor,
el conjunto de electrodos conectados a tierra
están refrigerados por agua .
Los generadores
industriales de ozono se fabrican generalmente
de dos tipos , el de tubos concéntricos y el de
placas, las configuraciones pueden ser ,
vidrio-vidrio , o metal-vidrio. En la figura
siguiente se representan ambas configuraciones y
un ozonizador tubular con un electrodo de
vidrio y otro metálico, que es el más empleado.
La
producción de ozono en estos equipos, está
sujeta a una serie de parámetros
interrelacionados ,que influyen en gran medida
en la eficaz generación o producción de ozono y
que podrían reunirse en tres grupos :
Parámetros del
sistema : Fundamentalmente son, 1) longitud
del sistema de descarga , 2) anchura del espacio
de descarga y 3) configuración y espesor del
dieléctrico.
Parámetros del proceso
: Estos quedan abarcados principalmente en la
concentración y producción del ozono y el
rendimiento o necesidades de energía específica.
Parámetros operacionales
. Estos son más numerosos, los principales son:
1) tensión , 2) tipo de tensión , 3) frecuencia,
4) densidad de potencia, 5) presión de trabajo,
6) temperatura de trabajo, 7) velocidad de
corriente del gas, 8) composición y humedad del
gas empleado.
Un somero análisis de estos
últimos parámetros operacionales nos pone de
manifiesto su influencia.
Tensión: Al
aumentar esta se eleva la producción de ozono y
a la vez las necesidades de potencia específica.
Tipo de tensión:
La tensión de onda cuadrada supone unas
condiciones, en la generación de ozono, mayores
a las de onda sinusoidal.
Frecuencia: A
mayor frecuencia, mayor producción.
Densidad de
potencia: A mayor densidad de potencia,
mayor producción.
Presión de trabajo:
Para presiones entre 1 y 2 bares, el rendimiento
aumenta al disminuir la presión.
Temperatura de
trabajo: Las altas temperaturas, en general,
aumentan la descomposición de ozono.
Velocidad de
corriente y concentración del gas: El
aumento de la velocidad de la corriente de gas y
la disminución de la concentración hace aumentar
el rendimiento.
Composición y
humedad: Al aumentar la concentración o
contenido de oxigeno del gas de entrada, en
general , aumenta el rendimiento. Este disminuye
por el contrario al aumentar la humedad del gas
de entrada.
Partiendo de aire,
este es suministrado al ozonizador a presión y
exento de polvo y humedad, lo cual requiere
compresores, filtros y otras unidades más
complejas de secado de este aire. La mezcla de
aire ozonizado, que es lo que realmente sale del
ozonizador, se conduce hasta las cámaras de
contacto, donde se encuentra el agua a tratar,
obligándole a salir a través de difusores
porosos, con objeto de que las burbujas de gas
que se introducen en el agua sean muy finas, o
bien mediante difusores de turbina. A las
cámaras de contacto de las dota de unos
extractores en la parte superior, a fin de
recoger el ozono residual que no se ha
consumido en su contacto con el agua y dirigirle
hacia un equipo de destrucción, generalmente
térmica, transformándose en oxigeno. Después de
pasar por las cámaras de contacto, el agua debe
contener aún una concentración próxima al 0.1
ppm.
Esquema de línea de preparación y
aplicación de ozono al agua
Lectura :
1. Compresor - 2.Tanque de
aire - 3.Válvula calibrada - 4.Manómetro - 5.
Presostato - 6-Válvula regulación del aire -
7.Termómetro - 8.Refrigerador - 9.Secador de
aire - 10.Válvula de expansión - 11.Válvula de
cierre - 12.Válvula de solenóide - 13.Higrómetro
- 14.Medidor de caudal de aire - 15.Ozonizador -
16. Muestreador del aire seco - 17.Cabina
eléctrica - 18.Conmutador de voltaje - 19Válvula
de chequeo - 20.Válvula del agua de
refrigeración - 21.Transformador - 22.Válvula de
drenaje - 23.Termómetro/Termostato - 24.Válvula
automática - 25.Tubos difusores - 26.Salida
hacia el destructor - 27. Muestreador de aire
ozonizado - 28. Caudalímetro monitorizado -
29.Cámara de contacto
Los equipos ozonizadores que
parten de aire, suelen consumir del orden de 14
a 18 Kwh/kg.O3, dependiendo de las
diversas instalaciones. Con los modernos
recursos de la electrónica, se han llegado a
conseguir unas tensiones de explotación de
ozonizadores de 10 KV ( para frecuencias entre
600 y 1000 Hz. Partiendo de oxigeno se triplica
la eficiencia en la producción de ozono por Kwh.
La producción de 1 Kg de ozono, partiendo de
oxigeno, supone un consumo de aproximadamente 7
Kwh. .
Las variables
operativas en la producción de ozono son, la
energía aplicada, el caudal del gas de entrada,
la temperatura y la eficiencia del propio
generador.
Destructor térmico de ozono
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