TEORÍA DE LA COAGULACIÓN


1. TURBIEDAD

Es un efecto óptico generado por la interferencia de los rayos luminosos que pasan a través de una muestra de agua. Esta turbiedad puede ser causada por una variedad de partículas en suspensión de diferentes tamaños, desde dispersiones coloidales hasta partículas gruesas. Cuando la luz incide en una suspensión de partículas en solución acuosa, estas pueden remitirla en varias direcciones, con la misma longitud de onda de la luz incidente. Una porción de la luz puede emitirse con longitud de onda mayor que la luz incidente y una porción de energía puede emitirse enteramente como radiación de longitud de onda grande o calor. Así mismo, el material disuelto puede absorber y reemitir la luz.
1.1 Métodos de medición
Tabla 01. Métodos para medir la Turbiedad.
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Fuente: Arboleda valencia. J, “Teoría y practica de la purificación del agua”, ACODAL III Ed. McGraw Hill 2000.
La determinación de la turbidez es de gran importancia en aguas para consumo humano y en un gran número de industrias procesadoras de alimentos y bebidas. Los valores de turbidez sirven para establecer el grado de tratamiento requerido por una fuente de agua cruda, su filtrabilidad y, consecuentemente, la tasa de filtración más adecuada, la efectividad de los procesos de coagulación, sedimentación y filtración, así como para determinar la potabilidad del agua.
1.2 Naturaleza química de la turbiedad

La turbiedad está principalmente formada por arcillas en dispersión. El termino arcilla comprende una gran variedad de compuestos, pero en general se refiere a la tierra fina (0.002 mm de diámetro de grano o menos), a veces coloreada, que adquiere plasticidad al mezclarse con limitadas cantidades de agua. Químicamente son silicatos de aluminio con formulas bastante complejas. (Arboleda,2000)

Tabla 02. Clasificación de las arcillas según Houser.
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Fuente: Arboleda valencia. J, “Teoría y practica de la purificación del agua”, ACODAL III Ed. McGraw Hill 2000.
Físicamente están constituidas por cristales con una estructura atómica reticular definida. La dimensión de estos cristales varía entre 2.6x10-8 cm de nodo a nodo hasta 5.05x 10-8 cm.


2.1 COLOR

Se reconocen dos tipos de color en el agua, el color verdadero que hace referencia al color de la muestra sin su turbidez y el color aparente que incluye el color de las sustancias en solución y coloidales y el debido al material suspendido. Generalmente el color aumenta con el incremento de pH.
2.1.1 Método de medición
Tabla 03. Método para medir el Color.
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Fuente: Romero Rojas Jairo Alberto, Calidad del agua, Escuela Colombiana de Ingeniería, 2000.
La determinación del color se hace por comparación visual de la muestra con soluciones de concentración de color conocida o con discos de vidrio de colores adecuadamente calibrados. Antes de determinar el color verdadero es necesario remover la turbidez; mediante centrifugación de la muestra, luego se determina su color por comparación con una serie de estándares de color preparados a partir de una solución patrón de K2PtCl6, la cual contiene 500 mg/L de Pt y 250 mg/L de cobalto para darle una tonalidad adecuada.
La remoción del color es una función del tratamiento del agua y se practica para hacer un agua adecuada para usos generales o industriales. La determinación del color es importante para evaluar las características del agua, la fuente del color y la eficiencia del proceso utilizado para su remoción; cualquier grado de color es objetable por parte del consumidor y su remoción es, por tanto, objetivo esencial del tratamiento.
2.1.2 Naturaleza química del Color

El color del agua se debe a la presencia de hidrógeno y manganeso coloidal o en solución; el contacto del agua con desechos orgánicos, en diferentes estados de descomposición, y la presencia de taninos, ácido húmico y algunos residuos industriales. El color natural en el agua existe principalmente por efectos de partículas coloidales cargadas negativamente; debido a esto, su remoción puede lograrse con ayuda de un coagulante de una sal de ion metálico trivalente como el Al+++ o el Fe+++. Las sustancias húmicas son las responsables del color ene l agua. Cualquiera que sea su origen, el conjunto de compuestos responsables de color, se sabe que contienen carbono, hidrógeno, oxigeno y nitrógeno en porcentajes variables y que se muestran propiedades ácidas con pesos moleculares que van desde 200 hasta más de 50.000. Se clasifican en cuatro fracciones: ácido fúlvico, ácido húmico, ácido himatomelánico y carbón húmico.

3. COAGULACIÓN

Luego del filtrado fino la mayoría de los sólidos suspendidos serán muy finos <10µm (coloides), tan pequeños que no sedimentan naturalmente. Estas partículas son arcillas, óxidos de metal, moléculas de proteínas grandes y microorganismos, que suelen estar cargadas negativamente y tienden a repelerse unas con otras evitando la conformación de partículas más grandes que puedan sedimentar. La coagulación prepara el agua para la sedimentación, incrementa grandemente la eficiencia de los sedimentadores y tiene como función principal desestabilizar, agregar y unir las sustancias coloidales presentes en el agua. El proceso remueve turbiedad, color, bacterias, algas y otros organismos planctónicos, fosfatos y sustancias productoras de olores y sabores. Para eliminar la materia coloidal se requieren de dos fases: Coagulación seguida de Floculación. Un coagulante se añade al agua para desestabilizar las partículas e inducirlas para que se formen los flóculos “partículas más grandes”. (N.F.Gray, 1994).


3.1 Coloides
Son sólidos que no sedimentan por la simple acción de la gravedad debidoa que se presentan finamente dividido, pero que pueden removerse del agua mediante coagulación, filtración o acción biológica. Estas partículas varían entre 1 y 100 nm. pero

3.1.1 Propiedades
3.1.1.1 Propiedades Cinéticas

A Movimiento Browniano: Movimiento constante e irregular de las partículas coloidales dentro de la fase líquida. La teoría cinética explica este fenómeno como resultado del bombardeo caótico de las partículas en suspensión por parte de las moléculas en agua, esto aumenta al incrementar la temperatura del líquido.
B Difusión: Tiene estrecha relación con el movimiento browniano, ya que debido a éste las partículas coloidales tienen la tendencia a dispersarse por todas partes en el disolvente. La velocidad de difusión es menor que la velocidad media de las partículas del movimiento browniano.
C Presión osmótica: Si un solvente, agua y un sistema coloidal, agua más coloides, se encuentran separados por una membrana permeable, la dilusión puede ocurrir solamente con el movimiento del solvente hacia el sistema coloidal a través de la membrana, esto se llama flujo osmótico.
3.1.1.2 Propiedades ópticas

A Efecto de Tyndall-Faraday: Describe el fenómeno de dispersión de la luz al pasar a través de una dispersión coloidal. Esta dispersión es directamente proporcional al tamaño de las partículas. Y utiliza la determinación de la turbiedad por medio de un nefelómetro.
3.1.1.3 Propiedades de superficie
Las partículas coloidales se caracterizan por tener una gran superficie específica, definida como la relación entre el área superficial y la masa de una partícula. El aspecto más importante es la capacidad que tienen los coloides para adsorber en la interfase sólida, líquida, moléculas, iones o coloides.
3.1.1.4 Propiedades electrocinéticas
Se ha observado que al pasar una corriente directa a través de una dispersión coloidal, las partículas son atraídas a los electrodos positivos o negativos. Este fenómeno indica que las partículas coloidales tienen carga eléctrica y se mueven según esta hacia el electrodo de su signo opuesto.

3.1.2 Estabilidad e inestabilidad de los coloides

Las suspensiones coloidales están sujetas a ser estabilizadas y desestabilizadas. Entre las fuerzas de estabilización o repulsión podemos mencionar las siguientes:
  1. La carga de las partículas.
  2. La hidratación, que generalmente es importante para los coloides hidrofílicos, aunque tienen menor importancia en este caso.

Los factores de atracción o desestabilización son los siguientes:
  1. La gravedad. Es insignificante en la desestabilización de las partículas coloidales y, por lo tanto, no se tratará con mayor detalle.
  2. El movimiento browniano. Permite que las partículas entren en contacto, lo que constituye un requerimiento para la desestabilización.
  3. La fuerza de Van der Waals. Una fuerza débil de origen eléctrico, postulada por primera vez por el químico holandés Johanns Diderick van der Waals. Es un factor muy importante, pues constituye la principal fuerza atractiva entre las partículas coloidales. Estas fuerzas siempre atractivas, que decrecen rápidamente con la distancia, se deben a la interacción de dipolos permanentes o inducidos en las partículas.

3.2 Proceso-Etapas de la Coagulación

Considerando la discusión teórica que antecede, Stumm y O’Melia identificaron varias etapas en el proceso de coagulación:
  1. Hidrólisis de los iones metálicos multivalentes y su consecuente polimerización hasta llegar a especies hidrolíticas multinucleadas.
  2. Adsorción de las especies hidrolíticas en la interfaz de la solución sólida para lograr la desestabilización del coloide.
  3. Aglomeración de las partículas desestabilizadas mediante un puente entre las partículas que involucra el transporte de estas y las interacciones químicas.
  4. Aglomeración de las partículas desestabilizadas mediante el transporte de las mismas y las fuerzas de Van der Waals.
  5. Formación de los flóculos.
  6. Precipitación del hidróxido metálico.

Algunas de estas etapas ocurren secuencialmente. Otras coinciden parcialmente y otras incluso pueden ocurrir simultáneamente. Se puede suponer que las diferentes etapas de la reacción pueden resultar controlables en un cierto porcentaje, bajo diversas condiciones químicas.

Figura 01. Modelo esquemático del proceso de Coagulación.
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Fuente: BARRENECHEA, Ada. OPS/CEPIS. Tratamiento de Agua para Consumo Humano. Manual I, Tomo I Capitulo 4: Coagulación. Versión en PDF. Lima, 2004.

3.3 Sustancias Químicas empleadas en la Coagulación

3.3.1 Coagulantes

Los coagulantes son las sustancias químicas o naturales que inducen el aglutinamiento de las partículas muy finas, ocasionando la formación de partículas grandes y pesadas.
3.3.1.1 Clasificación de los coagulantes

En general, los coagulantes los podemos clasificar en dos grupos: Los polielectrolitos o ayudas de coagulación y los coagulantes metálicos. Existen coagulantes de origen natural cuyo papel fundamental en el tratamiento de aguas a nivel rural y urban
A Coagulantes metálicos: Los coagulantes metálicos son aquellos compuestos de hierro o aluminio capaces de formar un floc y que pueden efectuar coagulación al ser añadidos al agua.

Tabla 04. Algunos Coagulantes metálicos más utilizados.
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Fuente: Romero Rojas Jairo Alberto, “Calidad Del Agua”, Escuela Colombiana de Ingeniería, 2000.
B Ayudantes de coagulación: Son sustancias que producen poco o ningún floc al ser usadas solas, pero que mejoran los resultados obtenidos con simples coagulantes. En general, son sustancias químicas agregadas para optimizar la coagulación, formar un floc más fuerte y más sedimentable, superar caídas de temperatura que retardan la coagulación, reducir la cantidad de coagulante requerido y disminuir la cantidad de lodo producido.
Los compuestos químicos que más se usan son los polímeros. Los polímeros sintéticos son solubles, de alto peso molecular, orgánicos, con múltiples cargas a lo largo de una cadena molecular de átomos de carbono. Otras ayudas de coagulación son la sílice activa, algunos agentes adsorbentes y sustancias oxidantes.
B.1 Clasificación de los Polímeros
  • Polímeros no iónicos: Óxido de polietileno - Poliacrilamida
  • Polielectrolitos aniónicos: Ácido poliacrílico - Poliacrilamida hidrolizada - Sulfonato de poliestireno
  • Polielectrolitos catiónicos: Cat-floc (polidialildimetilamonio) - Imina de polietileno

Tabla 05: Algunos ayudantes de coagulación.
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Fuente:Arboleda valencia. J, “Teoría y práctica de la purificación del agua”, ACODAL III Ed. McGraw Hill 2000.
3.3.2 Modificadores de pH

Para lograr mejores resultados en el tratamiento, en algunos casos será necesario regular la alcalinidad del agua o modificar su pH. Para ello se emplean: Cal viva, Hidróxido de calcio, Carbonato de sodio, Hidróxido de sodio, Gas carbónico, Ácido sulfúrico, Ácido clorhídrico.

Tabla 06: Algunos modificadores de pH.
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Fuente: BARRENECHEA, Ada. OPS/CEPIS. Tratamiento de Agua para Consumo Humano. Manual I, Tomo I Capitulo 4: Coagulación. Versión en PDF. Lima, 2004.

3.4 Operación

El proceso unitario de la coagulación implica la adición de productos químicos, un movimiento de mezcla rápida y un tiempo de reposo en el deposito de mezcla durante unos minutos (Masters, 1991). en el proceso de mezcla se añade un polímero al agua desestabilizada antes y durante la floculación.
La eliminación de los flóculos, depende de su naturaleza y concentración, del uso, tanto del coagulante, como de ayudantes de coagulación de las características del agua como pH, temperatura y fuerza iónica. Debido a la naturaleza compleja de las reacciones de coagulación, lo tratamientos químicos se basan en datos empíricos derivados de la prueba del frasco y otros ensayos de laboratorio y otros estudios de campo (Viessman y Hammer, 1998).
3.5 Mecanismos de Coagulación

3.5.1 Coagulación por compresión de la doble capa

Este modelo puede explicar el fenómeno de la desestabilización de un coloide por un coagulante. La Figura 02 ayuda a explicar el fenómeno de desestabilización: la curva de atracción de Van der Walls es fija mientras que la de repulsión eléctrica disminuye si se incrementan en la solución los iones de carga opuesta. En consecuencia, si se reduce el potencial repulsivo, decrece también la curva resultante de interacción. Por lo tanto, las partículas pueden acercarse suficientemente para ser desestabilizadas por la energía atractiva de Van der Waals.

Figura 02. Energía potencial de interacción entre dos coloides.
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Fuente: BARRENECHEA, Ada. OPS/CEPIS. Tratamiento de Agua para Consumo Humano. Manual I, Tomo I Capitulo 4: Coagulación. Versión en PDF. Lima, 2004.

La introducción de un electrolito indiferente en un sistema coloidal causa un incremento de la densidad de cargas en la capa difusa y disminución de la “esfera” de influencia de las partículas, y ocurre la coagulación por compresión de la capa difusa. Concentraciones elevadas de iones positivos y negativos en el agua acarrean un incremento del número de iones en la capa difusa que, para mantenerse eléctricamente neutra, necesariamente tiende a reducir su volumen, de modo tal que las fuerzas de Van der Waals sean dominantes, y se elimine la estabilización electrostática. Un ejemplo típico de este mecanismo ocurre cuando aguas dulces con fuerza iónica pequeña se mezclan con agua de mar, lo que promueve la formación de depósitos en las desembocaduras. Cabe destacar dos aspectos interesantes sobre ese mecanismo de coagulación:
  • La concentración del electrolito que causa la coagulación es prácticamente independiente de la concentración de coloides en el agua.
  • Es imposible causar la reestabilización de las partículas coloidales con la adición de mayores cantidades de electrolitos debido a que ha ocurrido una reversión de la carga de las mismas, que pasa a ser positiva.

3.5.2 Coagulación por Adsorción y neutralización de la carga

La desestabilización de una dispersión coloidal consiste en las interacciones entre coagulante-coloide, coagulante–solvente y coloide–solvente. El efecto de adsorción y neutralización de la carga se encuentra estrechamente ligado al de compresión de la doble capa.

Un ejemplo de desestabilización por medio de la adsorción y neutralización de la carga es la coagulación del yoduro de plata con carga negativa por medio de iones orgánicos de dodecilamonio (C12H25NH3+). La curva que se presenta en la Figura 03 se basa en un trabajo experimental.
Figura 03. Energía potencial de interacción entre dos coloides.
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Fuente: BARRENECHEA, Ada. OPS/CEPIS. Tratamiento de Agua para Consumo Humano. Manual I, Tomo I Capitulo 4: Coagulación. Versión en PDF. Lima, 2004.

Se podría deducir que los iones dodecilamonio, por tener carga +1, deberían ser capaces de inducir una coagulación similar a la del Na+ (figura 4-19[a]). Sin producen la coagulación únicamente en concentraciones muy altas y no prácticas (mayores a 10-1 moles/L), los iones de dodecilamonio producen la desestabilización en concentraciones tan bajas como 6 x 10-5 moles por litro y la reestabilización con dosis de coagulante mayores de 4 x 10-4 moles por litro. El comportamiento de los iones de dodecilamonio (figura 4-19[b]) puede explicarse si se considera que esta amina orgánica C12H25NH3+ es una sustancia activa en la superficie de los coloides, que se acumula en las interfaces, y los grupos -CH2 en las cadenas alifáticas de la molécula no interactúan con el agua y, por lo tanto, son llevados fuera de la solución y dentro de las partículas coloidales, lo que causa su desestabilización. En cambio, los iones sodio tienen interacción con el agua y, por lo tanto,no tienen superficie activa.
3.5.3 Captura en un precipitado de hidróxido metálico o captura por barrido

La coagulación por incorporación se produce cuando se agrega una concentración de coagulantes tan alta, que se excede el límite de solubilidad de este compuesto en el agua. En este momento se precipitan los hidróxidos que se forman por reacción de la alcalinidad y el agua misma con los coagulantes, con los que se induce la producción de una masa esponja (floc de barrido) que atrapa en su caída a los coloides y partículas suspendidas las cuales se ven forzadas a decantar, incorporadas dentro del precipitado que desciende.
En este tipo de remoción de turbiedad, no es una verdadera coagulación, pero es lo que más frecuentemente se produce, debido a que en la practica, las dosis que se usan están por encima del limite de solubilidad de los hidróxidos de aluminio o de hierro en el agua, a los pH y temperaturas normales de trabajo.
La coagulación por incorporación no excluye, sin embargo, la posibilidad de que simultáneamente se produzca también, en parte o en una etapa inicial, la coagulación por puente químico, e incluso coagulación por adsorción – neutralización. La coagulación corriente pues, se realiza por medio de diferentes mecanismos que se sobreponen y complementan.

3.6 Ensayos para el control del proceso de coagulación

3.6.1 Ensayo de jarras:Los resultados de este ensayo tienen gran aplicabilidad en el diseño y operación real de las unidades de tratamiento, así como la optimización de las plantas ya existentes. El procedimiento requiere como datos previos el pH, turbiedad, color y alcalinidad del agua cruda. La unidad de mezcla rápida consiste en unos agitadores de paletas acoplados mecánicamente para operar a la misma velocidad, generalmente entre 10 y 100 RPM.
3.6.2 pH:
La observación y el registro del pH del agua ayudaran al operador a seleccionar la dosis y el tipo de coagulante, así como tomar decisiones sobre la necesidad de ajustar su valor antes de aplicar el coagulante.
3.6.3 Turbiedad:
Constituye posiblemente el parámetro más útil en el control de proceso, un incremento en la turbiedad del agua clarificada indicará al operador, en forma muy rápida la necesidad de investigar las causas posibles.

3.6.4 Filtrabilidad:
Es el método de ensayo más usado para determinar qué tan efectivamente se puede filtrar un agua coagulada. Mide la cantidad de agua filtrada en un tiempo determinado. Una de sus ventajas es que permite cambiar las dosis de coagulantes antes que se deteriore la calidad del efluente de la planta.
3.6.5 Potencial zeta (PZ):
Es un análisis usado en plantas grandes. El procedimiento consiste en controlar el PZ del agua coagulada y modificar la dosis del coagulante cuando el PZ se desvía del intervalo que produce la mínima turbiedad, este intervalo depende de la planta. El potencial Z de los coloides depende también de un factor muy importante, como es el pH del agua. El pH óptimo de coagulación será el existente cuando se alcanza el punto isoeléctrico.
Aunque la medida del potencial Z nos proporciona una importante información a cerca de la dosis de coagulante a emplear, para seleccionar un coagulante siguen siendo muy útiles los resultados que se obtienen mediante la prueba de jarras (jar-test).

3.7 pH óptimo para coagulación

El valor del pH es uno de los factores de mayor importancia y efecto sobre el proceso de coagulación; de acuerdo con Haney, el pH afecta la solubilidad de los precipitados formados por el hierro y el aluminio, así como el tiempo requerido para formación de floc y la carga sobre las partículas coloidales. El pH óptimo para la remoción de coloides negativos varía según la naturaleza del agua, pero cae entre pH 5,0 y 6,5.