Floculador

OBJETIVO:

El objetivo del floculador es proporcionar a la masa de agua coagulada una agitación lenta aplicando velocidades decrecientes, para promover el crecimiento de los flóculos y su conservación, hasta que la suspensión de agua y flóculos salga de la unidad. La energía que produce la agitación del agua puede ser de origen hidráulico o mecánico. En este capítulo trataremos sobre el diseño de unidades de agitación hidráulica.

Entre los floculadores más conocidos se pueden citar, en primer lugar, las unidades de pantallas de flujo horizontal y vertical, las de medios porosos, la de tipo Alabama y Cox, y los floculadores de mallas.

DEFINICIÓN:

La floculación es un proceso químico mediante el cual, con la adición de sustancias denominadas floculantes, se aglutinan las sustancias coloidales presentes en el agua, facilitando de esta forma su decantación y posterior filtrado. Es un paso del proceso de potabilización de aguas de origen superficial y del tratamiento de aguas servidas domésticas, industriales y de la minería.

Los compuestos que pueden estar presentes en el agua pueden ser:

 Sólidos en suspensión.

 Partículas coloidales (menos de 1 micra), gobernadas por el movimiento browniano.

 Sustancias disueltas (menos que varios nanómetros).

Proceso:

El proceso de floculación es precedido por la coagulación, por eso se suele hablar de los procesos de coagulación-floculación. Estos facilitan la retirada de las sustancias en suspensión y de las partículas coloidales:

La coagulación es la desestabilización de las partículas coloidales causadas por la adición de un reactivo químico llamado coagulante el cual, neutralizando sus cargas electrostáticas, hace que las partículas tiendan a unirse entre sí.

La floculación es la aglomeración de partículas desestabilizadas en microflóculos y después en los flóculos más grandes que tienden a depositarse en el fondo de los recipientes construidos para este fin, denominados sedimentadores.

Los factores que pueden promover la coagulación-floculación son el gradiente de la velocidad, el tiempo y el pH. El tiempo y el gradiente de velocidad son importantes al aumentar la probabilidad de que las partículas se unan y da más tiempo para que las partículas desciendan, por efecto de la gravedad, y así se acumulen en el fondo. Por otra parte el pH es un factor prominente en la acción desestabilizadora de las sustancias coagulantes y floculantes.

La solución floculante más adecuada a la naturaleza de los materiales en suspensión con el fin de conseguir aguas decantadas limpias y la formación de lodos espesos se determina por pruebas, ya sea en laboratorio o en el campo.

En la minería, los floculantes utilizados son polímeros sintéticos de alto peso molecular, cuyas moléculas son de cadena larga y con gran afinidad por las superficies sólidas. Estas macromoléculas se fijan por adsorción a las partículas y provocan así la floculación por formación de puentes interpartículas.

TIPOS DE FLOCULADORES Y CONFIGURACIONES MÁS FRECUENTES:

Podemos anotar tres grandes clases de floculadores: hidráulicos, mecánico y neumáticos:

Los floculadores hidráulicos, basados en cambios de dirección para lograr el cometido de mezcla y floculado han sido empleados históricamente. De todas maneras, las pantallas o baffles empleados en las plantas contemporáneas estarían dentro de esta “tecnología”. Gradualmente debieron ceder su posición debido a menores posibilidades de control de proceso.

Tomando la floculación como formación y aumentación de flóculos, en cierta manera las celdas de flotación representan implementaciones de tipo neumático, aunque en realidad se trata de presurización de líquido (ley de Henry para gases de baja solubilidad en un circuito de líquido) y no empleo de difusores convencionales de aireación (circuito netamente neumático alimentado por sopladores).

Los floculadores mecánicos constituyan la alternativa contemporánea en la mayoría de los casos. Dentro de los floculadores de tipo mecánicos podemos destacar los floculadores de paletas o listones, floculadores tipo turbina, y configuraciones de flujo axial contando con hélices de distinto tipo, i.e. turbina con palas dispuestas con una inclinación determinada (e.g. 32°/45°), y diseños especiales, e.g. hydrofoils.

El diseño de floculadores de paletas o listones, en su configuración con eje horizontal, es probablemente el sistema más difundido. Las velocidades de rotación oscilan típicamente entre 2 y 8 rpm, y la potencia aplicada al agua está determinada por las fuerzas de resistencia. Como se ha mencionado anteriormente, el proceso de floculación de procura implementar con 2, 3 o incluso 4 etapas, de manera de tener una gradación o escalonado de densidades de potencia en cada zona con especificaciones para los distintos gradientes, e.g. 45/20/10, 50/35/20, 75/50/35. Probablemente no resulte conveniente exceder 75 así como mantenerse con velocidades periféricas no mayores a 3 fps para evitar destrucción de flóculos. Este tipo de floculadores no es empleable en aplicaciones de tipo denitrificación o en las cuales sea importante mantener sólidos en suspensión. La disposición de varios floculadores compartiendo el mismo eje horizontal permite la operación mediante un número menor de accionamientos. Si bien existen configuraciones de “árboles” de floculadores, la configuración de eje vertical más común es con accionamiento individual.

Los floculadores de tipo turbina pueden ser empleados en casi todos los casos, especialmente los diseños de eje vertical. Al igual que en el caso anterior, las configuraciones de eje vertical son de mantenimiento facilitado, al no haber rulemanes o cadenas bajo agua, aunque involucran accionamiento individuales y estructuras de soporte tipo puente. Según el porte del proyecto, los números favorecerán uno u otro caso. La velocidad de rotación de los floculadores tipo turbina es del orden de 10 a 20 rpm y cota recomendable para velocidad periférica del orden de 5 fps.

A diferencia del floculador de paletas, el floculador tipo turbina imprime movimiento al fluído que mantiene material particulado en suspensión.

Dentro de las alternativas “hydrofoil”, existe una verdadera variedad de diseños especializados que incluyen helices de flujo axial y bajo nivel de destrucción de flóculos. Estos diseños lo que buscan es disminuir turbulencia y desagregado así como maximizar la cantidad de líquido bombeado. Nuevamente podemos tener el caso de dos diseños con idéntico G y velocidad periférica pero teniendo capacidades de bombeo notablemente distintas, e.g. 5 veces más.

Generalmente cada floculador estará provisto de algún tipo de variador de velocidad de manera de poder optimizar el proceso. Las alternativas incluyen desde dispositivos manuales hasta variadores de frecuencia.

Floculación iónica:

Mediante la floculación iónica se modifican las moléculas disueltas en un fluido mediante la acción de los llamados floculadores iónicos, que son los elementos materiales compuestos por tubos de acero inoxidable, plata o cobre, que conectados en su extremo a polos de corriente directa, positiva o negativa, generan la actividad iónica. Los floculadores iónicos sumergidos en el fluido producen un campo eléctrico de baja intensidad con actividad iónica constante, que incrementa la energía de los electrones de enlace; entonces, los átomos que componen las moléculas diluidas en el medio sufren un cambio en su estructura que las lleva a su forma más elemental, confirmando la teoría electrolítica de la disociación.

Floculación Pericinética:

Está producido por el movimiento natural de las moléculas del agua y esta inducida por la energía térmica, este movimiento es conocido como el movimiento browniano.

Floculación Ortocinética:

Se basa en las colisiones de las partículas debido al movimiento del agua, el que es inducido por una energía exterior a la masa de agua y que puede ser de origen mecánico o hidráulico.

Después que el agua es coagulada es necesario que se produzca la aglomeración de los microflóculos; para que esto suceda se produce primero la floculación pericinética luego se produce la floculación ortocinética.

PARÁMETROS Y RECOMENDACIONES GENERALES DE

DISEÑO:

Los gradientes de velocidad que optimizan el proceso normalmente varían entre 70 y 20 s-1. En todo caso, en el primer tramo de la unidad el gradiente no debe ser mayor que el que se está produciendo en la interconexión entre el mezclador y el floculador (1).

• El gradiente de velocidad debe variar en forma uniformemente decreciente, desde que la masa de agua ingresa a la unidad hasta que sale (2).

• El tiempo de retención puede variar de 10 a 30 minutos, dependiendo del tipo de unidad y de la temperatura del agua. En las zonas tropicales, donde las aguas presentan temperaturas por encima de los 20 °C, el tiempo de floculación necesario suele ser más breve, alrededor de 15 minutos. En cambio, en los lugares fríos, donde el agua tiene temperaturas de 10 a 15 °C, generalmente el proceso se optimiza con tiempos de retención iguales o superiores a 20 minutos (3

• Para que el periodo de retención real de la unidad coincida con el de diseño, ella debe tener el mayor número posible de compartimientos o divisiones (4).

• El paso del mezclador al floculador debe ser instantáneo

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