Determinación de la cantidad de ozono necesaria para el tratamiento del agua con ozono - inteligenciaes

Determinación de la cantidad de ozono necesaria para el tratamiento del agua con ozono

El ozono (O3) brinda múltiples beneficios para el tratamiento del agua, incluida la eliminación de compuestos orgánicos, ciertos compuestos inorgánicos (Fe, Mn, H2S), color, olor y sabor. También actúa como un microfloculante que ayuda a eliminar los sólidos en suspensión. Además es un excelente agente desinfectante capaz de matar un amplio espectro de microorganismos. Como resultado, se está considerando cada vez más para una amplia variedad de aplicaciones de tratamiento de agua.

Una pregunta clave en el diseño de un sistema de tratamiento de agua con O3 es cuánto ozono se requiere para lograr el objetivo del tratamiento. La eliminación de compuestos orgánicos/inorgánicos y la desinfección son las dos aplicaciones más comunes para el tratamiento con ozono, por lo que serán el tema central del artículo.

Al eliminar los contaminantes del agua con ozono, es importante comprender que el O3 actúa mediante el proceso químico de oxidación. Una sustancia química se oxida cuando pierde electrones. Estas reacciones pueden ocurrir con y sin la presencia de oxígeno, pero en el presente caso nos referimos a reacciones en las que interviene el oxígeno en forma de O3.

La cantidad de material oxidable en el agua se denomina demanda de ozono.

Compuestos inorgánicos

Las reacciones más simples son aquellas en las que el O3 reacciona con compuestos inorgánicos como Fe, Mn y H2S. En el caso de Fe y Mn, los metales se oxidan a compuestos insolubles que precipitan de la solución. En el tratamiento del agua, la eliminación de estos compuestos es importante ya que el Fe y el Mn pueden decolorar el agua y depositarse en los sistemas de tuberías y materiales sumergidos en el agua. Entonces, se agrega O3 para hacer que el metal sea insoluble y luego se filtran del agua como un sólido. La cantidad de O3 necesaria es de 0,44 mg de ozono/mg de Fe y de 0,88 mg de O3/mg de Mn.

El sulfuro de hidrógeno (H2S) crea un olor desagradable en el agua (huevos podridos). En las aplicaciones de agua potable, el H2S a menudo se elimina para hacer que el agua sea más apetecible. La cantidad teórica de ozono necesaria para eliminar el H2S es de 3 mg O3/mg H2S, pero en la práctica se utiliza un exceso de ozono (4 mg O3/mg H2S). El H2S se oxida a sulfato, una sal soluble.

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Compuestos orgánicos

Es más difícil predecir la cantidad de O3 necesaria para eliminar la materia orgánica del agua. Primero, algunos compuestos orgánicos no reaccionan con el O3, aunque es un oxidante poderoso. Estos compuestos son típicamente ácidos carboxílicos, cetonas y aldehídos. Incluso con compuestos que reaccionan con O3, algunos de los cuales se oxidarán a compuestos más pequeños que no reaccionan. Como resultado, es difícil predecir la cantidad de O3 necesaria sin un conocimiento detallado de los productos químicos involucrados o sin realizar estudios piloto o de laboratorio.

Una forma de medir la cantidad de materia orgánica en el agua es medir la Demanda Química de Oxígeno (DQO). Esta prueba esencialmente determina la cantidad de oxígeno para convertir todo el carbono orgánico en la muestra en CO2. La prueba utiliza un potente oxidante a temperatura elevada para oxidar los compuestos orgánicos. Un cambio de color, que mide la cantidad de oxidante utilizado, indica la cantidad de DQO.

Un cambio en la DQO se usa a menudo como un objetivo en el tratamiento del agua. En las pruebas de laboratorio se anota la cantidad inicial de DQO y se aplica O3 a la solución contaminada. Se desarrolla una correlación entre el O3 aplicado y el nivel de DQO. Esta es la forma más directa de determinar la cantidad de ozono necesaria. Para los compuestos orgánicos que se pueden tratar con O3, se puede aplicar una regla general para una estimación inicial de la demanda de ozono. Dice que necesita 2,5 mg O3/mg de DQO donde la DQO está compuesta de compuestos orgánicos que pueden ser oxidados por O3.

Otro método para medir la concentración orgánica en el agua es el Carbono Orgánico Total (TOC). Esta prueba mide el carbono total (TC) en el agua eliminando primero el carbono inorgánico (IC), por ejemplo, carbonatos, del agua. Al medir el TC y restar el IC, el resto es TOC. Si bien el ozono puede oxidar compuestos orgánicos, incluidos algunos a CO2, muchos de los compuestos permanecerán en el agua en un estado oxidado, por lo que el cambio en el TOC podría no ser grande. Generalmente, para eliminar TOC se requiere el uso de procesos de oxidación avanzados que pueden implicar el uso de O3 como componente.

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Desinfección 

Para inactivar los microorganismos, es necesario exponerlos al ozono durante un cierto período de tiempo. Una medida de esto se conoce como Ct, que es la concentración promedio de ozono multiplicada por el tiempo promedio de exposición. Si se representara gráficamente la concentración de O3 frente al tiempo, el área bajo la curva sería Ct. Diferentes organismos requieren diferentes Ct a una temperatura determinada para la inactivación. Se han desarrollado valores de Ct para una variedad de organismos.

Para construir una concentración de O3 en agua, primero se debe satisfacer la demanda de ozono en solución. Esto significa que los compuestos orgánicos e inorgánicos que pueden ser oxidados por el O3 deben eliminarse primero antes de que la concentración pueda acumularse para establecer un valor de Ct.

Para la desinfección la cantidad de O3 requerida sería igual a:

Demanda de Ozono de Especies Oxidables (mg/l) + (Ct ÷ tiempo de contacto)

Descomposición del ozono 

El O# en solución acuosa tiene una reacción de autodescomposición. En agua pura, el O3, sin ninguna especie oxidable, se descompondrá nuevamente en oxígeno. La reacción de descomposición es función de la temperatura. Por ejemplo, a 25 grados C (77 grados F) y un pH de 7, la vida media del ozono es de 15 minutos.

Entonces, además de la demanda de O3 de los compuestos inorgánicos u orgánicos oxidables, se debe tener en cuenta la autodescomposición.

Al desarrollar el valor Ct, se mediría el cambio en la concentración de O3 en función del tiempo de contacto para determinar la curva C vs t de modo que se pueda definir el área bajo la curva.

Eficiencia de transferencia de ozono 

Para actuar como oxidante en sistemas acuosos, el O3 debe transferirse de la fase gaseosa a la líquida donde actúa en solución como una especie disuelta. El porcentaje del O3 producido en la fase gaseosa (la dosis de O3 aplicada) que termina en solución (la dosis de O3 transferida) se denomina eficiencia de transferencia de O3.

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La eficiencia de transferencia se ve afectada principalmente por los siguientes factores:

  1. La relación entre el volumen de gas y el volumen de líquido (relación G/L), una relación más baja aumenta la eficiencia
  2. El tamaño de la burbuja, las burbujas más pequeñas aumentan la eficiencia
  3. Demanda de ozono del agua, una mayor demanda aumenta la eficiencia
  4. Concentración de ozono, una mayor concentración aumenta la eficiencia
  5. Presión, una mayor presión aumenta la eficiencia
  6. Tiempo de detención, un tiempo de detención más largo aumenta la eficiencia
  7. Temperatura, una temperatura más baja aumenta la eficiencia

 Producción de ozono requerida

Los generadores de O3 normalmente se clasifican en libras por día (lbs/day) o gramos por hora (g/h). La tasa de producción de O3 requerida a veces se refiere a la dosis de ozono aplicada (AOD). También necesitaríamos conocer la tasa de flujo ya que la mayoría de los requisitos de demanda de O3 se calculan en gramos o miligramos por litro. Entonces, la cantidad de agua tratada durante un período de tiempo es necesaria.

En el caso de eliminación orgánica/inorgánica

AOD (g/h) = (Demanda de O3 (g/l) ÷ Eficiencia de transferencia de O3 (%)) X Caudal (l/h)

n el caso de la desinfección

OD (g/h) = (Demanda de O3 + (Ct ÷ tiempo de contacto) (g/l)) X Caudal (l/h) ÷ Eficiencia de transferencia de O3 (%)

La única forma de saber con precisión la cantidad adecuada de O3 necesaria es realizar pruebas piloto con equipos de transferencia de O3 similares a los que se utilizarán a gran escala. No obstante, la metodología discutida en este artículo junto con las reglas generales mencionadas pueden ser útiles para generar estimaciones aproximadas para ver si el O3 podría ser un candidato para una mayor consideración en una aplicación de tratamiento de agua.

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