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1. INTRODUCCIÓN
La investigación se desarrolló en la textilera “Desembarco del Granma” donde, para depurar el agua residual, se usa un proceso que involucra etapas físicas, químicas y biológicas conocido como tratamiento por lodos activados. La planta cuenta con la cisterna de neutralización, en la que se controla el pH del agua residual, para lo cual se añade ácido sulfúrico, según la reacción H 2 𝑆𝑂 4 +2𝑁𝑎𝑂𝐻→ 𝑁𝑎 2 𝑆𝑂 4 +2 𝐻 2 𝑂. La adición del mismo se hace de forma automática por medio del control de pH, el cual lo mide y envía la señal al panel de control y ordena arrancar o parar la bomba según sea el pH observado. Es importante lograr un pH igual a siete pues es la mejor condición para la vida de los microorganismos, según lo reportado por Díaz, (2006) y (Waseem y col., 2023).
El ácido sulfúrico es corrosivo y puede producir graves quemaduras en los ojos, la piel e irritar las mucosas. En contacto con productos orgánicos los deshidrata y carboniza, llegando en ocasiones a incinerarlos. Es considerado un agente tóxico para la vida acuática. En el suelo puede disolver algunos minerales, deteriorando las características de este (Uibu y col., 2008). Teniendo en cuenta las características negativas del ácido sulfúrico, anteriormente expuestas, se hace necesario sustituirlo por un agente químico con un impacto menor sobre el medio ambiente, que permita la neutralización de manera efectiva, como es el dióxido de carbono. Además, el manejo inadecuado del ácido puede provocar sobreacidificación del agua tratada efluente, efecto que no tiene lugar cuando se neutraliza con CO2 (Pichler y col., 2020). La propiedad de autoamortiguación garantiza que el agua dosificada con CO2 cause un daño mínimo a la vida vegetal y animal en caso de que se rompa la tubería de agua o se enjuague el sistema. Con esta variante de emplear el CO2 generado en las fuentes fijas de la textilera se contribuirá a disminuir el impacto de este gas de efecto invernadero, pues se ha planteado, por diferentes autores, que el mecanismo clave para mitigar el efecto invernadero es reducir considerablemente las emisiones de CO2 a la atmósfera (Liu y col., 2021, Mahmoudkhani y Keith, 2009).
La reacción de neutralización de las aguas residuales de la textilera “Desembarco del Granma” con CO2 fue estudiada, (Arbona y col., 2022). Sin embargo, se requiere contar con un equipamiento para la ejecución de esta reacción, por lo que esta investigación tiene como objetivo determinar la viabilidad de la utilización de reactor existente en la textilera “Desembarco del Granma” para la neutralización del agua residual al emplear CO2.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
En la textilera “Desembarco del Granma” hay un reactor que responde al modelo de reactor continuo con agitación, que es usado actualmente en la etapa de neutralización para el tratamiento de residuales líquidos. Se requirió determinar si ese equipo existente podía mantener su función cuando se sustituya el ácido sulfúrico por dióxido de carbono. Para ello se llevó a cabo la comparación entre el reactor industrial y el empleado para el desarrollo de los experimentos a nivel de laboratorio teniendo en cuenta el criterio de similitud geométrica, donde se consideró la velocidad en la punta del impulsor y la relación entre el diámetro del impelente y el diámetro del tanque en cuestión. Los agitadores de ambos reactores son de tipo paleta.
En la Tabla 1 se muestran las características de los reactores de laboratorio e industrial estudiados.
Tabla 1 . Características de los reactores comparados
| N: velocidad de agitación (rpm) | 200 | 5 |
| d: diámetro del impelente (m) | 0,05 | 2 |
| D: diámetro del tanque (m) | 0,16 | 6,5 |
Para determinar la velocidad en la punta del impulsor se utilizó la ecuación 1, según lo reportado (Pérez y col., 2011).
La efectividad del mezclado en el equipo industrial está determinada por el tiempo de mezclado requerido, la potencia empleada y las propiedades del producto. Cuando se mezclan fluidos de baja viscosidad se obtienen productos de elevada homogeneidad. Es necesario garantizar una adecuada potencia de agitación para evitar zonas muertas en el reactor. La misma depende del diámetro del impelente y de la velocidad de agitación.
También se calculó la relación entre el diámetro del impelente y el diámetro del tanque por la ecuación 2.
Se realizó la simulación, con el empleo del Aspen Plus (versión 10), para las condiciones industriales de operación teniendo en cuenta la cinética obtenida a nivel de laboratorio, (Arbona y col., 2022), la cual se expresa en la ecuación 3.
Donde:
CCO2: concentración de CO2 (mol/L)
COH -: concentración de NaOH (mol/L)
T: temperatura (K)
-dc(OH-)/dt: velocidad de la reacción (mol/(L x s))
Para trabajar con el Aspen Plus se requiere introducir los componentes que participan en la reacción. Se escogió el CO2 y el agua residual compuesta fundamentalmente por NaOH debido a que se usa esta sustancia en los procesos de blanqueo y mercerizado que se llevan a cabo en la textilera en cuestión según lo planteado por González, (2019). Teniendo en cuenta la naturaleza del CO2 y las características básicas del agua residual textil, la reacción de neutralización 𝐶𝑂 2 +2𝑁𝑎𝑂𝐻→ 𝑁𝑎 2 𝐶𝑂 3 + 𝐻 2 𝑂 es la etapa controlante del proceso porque la solubilidad del CO2 es alta y el equilibrio en la interfase puede ser descrito por la ley de Henry, según se ha planteado (Contamine y col., 2012), (Gondal y col., 2015), (Liu y col., 2021), (Liu y col., 2022). La reacción se puede identificar como una reacción bimolecular irreversible de segundo orden, que responde a la forma 𝐴+2𝐵→𝑃 teniendo en cuenta lo reportado por Levenspiel, (2004) y (Arbona y col., 2022).
El paquete de fluidos seleccionado para la simulación del reactor industrial teniendo en cuenta la cinética obtenida a nivel de laboratorio fue el UNIQUAC, ya que ofrece una buena representación de los equilibrios vapor-líquido y líquido-líquido para sistemas que contienen una variedad de componentes. Además, se incluyeron en el programa la energía de activación de la reacción (24 508 J/mol) y el factor de colisión de 978 532,58 L/(mol s), según lo reportado (Arbona y col., 2022). La temperatura de trabajo fue de 35 °C.
A partir de la información ofrecida por el Aspen Plus de la corriente de salida del reactor, se puede evaluar el pH teniendo en cuenta las ecuaciones 4, 5 y 6.
()4
Donde:
n(OH-): cantidad de sustancia de NaOH (mol).
V: volumen de agua residual tratada (L).
pH: índice de acidez.
pOH: índice de basicidad.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Evaluación a través de criterios de similitud para reactores
Al comparar los reactores a nivel de laboratorio e industrial usando el principio de similitud geométrica, se obtuvieron los resultados que aparecen en la Tabla 2, porque ambos responden al modelo continuo con agitación.
Tabla 2 . Resultados de la comparación de los reactores continuos con agitación a ambas escalas
| N x d | 10 | 10 |
| d/D | 0,313 | 0,307 |
Como se observa en la Tabla 2, la velocidad en la punta del impulsor es igual para ambos reactores y la relación entre el diámetro del impelente y el diámetro del tanque se mantiene prácticamente constante, lo que evidencia que hay similitud geométrica entre los reactores estudiados.
Los reaccionantes que participan en ambos reactores son los mismos pues la reacción que se verifica es la que ocurre para neutralizar el agua residual de la textilera “Desembarco del Granma” con CO2. Además, la temperatura de trabajo estará comprendida entre 30 y 35 °C, por lo que se cumple semejanza química y térmica, las que son posibles lograr manteniendo igual temperatura, pH y tiempo de reacción (Pérez y col., 2011).
3.2 Determinación del pH del agua residual neutralizada en el reactor industrial
Se muestra en la Figura 1 una representación del reactor industrial, simulado con el Aspen Plus.
Donde:
AGUARES: agua residual afluente.
CO2: corriente de dióxido de carbono.
AGUANEUT: agua residual neutralizada con CO2.
Se determinó la composición de la corriente de salida del reactor y se muestran los resultados en la Tabla 3.
Tabla 3 . Composición de la corriente de salida en el reactor industrial, obtenida por simulación
| Agua | 27 046,7 |
| CO2 | 1,07 x 10-6 |
| Carbonato de sodio | 275,03 |
| Na+ | 0,01 |
| OH- | 0,085 |
El programa Aspen Plus reporta la composición de la corriente de salida en función de la cantidad de sustancia de cada una de las especies químicas, la cual resultó de 0,005 mol para los iones OH-. La concentración de los iones OH- del agua de salida, calculada por la ecuación 4 fue de 1,79x10-7 mol/L. El volumen total resultó ser de 27 898 L. El pH del agua residual neutralizada calculado a partir de las ecuaciones 5 y 6 fue 7,2, el cual evidencia que existe una adecuada neutralización con CO2 bajo las condiciones de trabajo del reactor industrial al estar comprendido en el intervalo 6,8 a 7,3, según lo establecido por TEXVI, (2022). Estos resultados del programa de computación facilitan la interpretación del fenómeno a nivel industrial y resultan un aporte importante de esta etapa de la investigación. No obstante, se prevé realizar pruebas industriales en la textilera analizada.
En la Tabla 4, se muestran las propiedades termodinámicas de las corrientes involucradas en la reacción determinadas con ayuda del simulador. Por lo tanto, la variación de energía libre (ΔG°) es -311 288 J, hallada en función de las variaciones de entalpía y entropía de la reacción, por lo que el proceso es espontáneo a las condiciones del estudio (temperatura 35 °C y presión de 101,3 kPa).
Tabla 4 . Propiedades termodinámicas de las corrientes del reactor
|
|
||||
|---|---|---|---|---|
| Entalpía (H) | J | -269 415,48 | -285 305,13 | -393 154 |
| Entropía (S) | J/K | 3 093,67 | 503,04 | 213,31 |
3.3 Impacto medioambiental
El tratamiento del agua residual será llevado a cabo de una manera compatible con el entorno ya que se disminuirá el impacto negativo de las emisiones de CO2, generado por la combustión en las fuentes fijas de la textilera, al ser empleado este gas en la reacción de neutralización de las aguas residuales. Esto tributa a la mitigación del cambio climático contribuyendo al cumplimiento de la tarea 8 del Plan del Estado (Tarea Vida), según lo reportado por CITMA, (2017).
El agua tratada podrá ser reutilizada en la agricultura para regar los cultivos del área cercana que se encuentra en la comunidad de Los Moros y los organopónicos asociados a Las Marianas, ya que la misma se vierte al riachuelo; tras el tratamiento, el agua cumple con los requerimientos para su vertido a este cuerpo receptor (clase B), según lo planteado por NC 27, (2012) y González, (2019).
4. CONCLUSIONES
Existe similitud geométrica entre los reactores continuos con agitación a nivel de laboratorio e industrial.
El pH del agua residual neutralizada en el reactor industrial, determinado por simulación fue de 7,2.
Se comprobó que el reactor industrial de la textilera “Desembarco del Granma” se puede usar para el proceso de neutralización del agua residual cuando se emplee dióxido de carbono en lugar de ácido sulfúrico.
