Embed Size (px)
Citation preview
Inhibidores de incrustaciones para la prevención de incrustaciones inorgánicas en
plantas depuradoras de aguas residuales
POLYSTABIL®
2
Ashland Deutschland GmbH Ashland Water TechnologiesFütingsweg 20, D-47805 Krefeld Postfach 10 04 52, D-47704 Krefeld Teléfono: +49 2151 38 3052 Fax: +49 2151 38 1106 [email protected] www.ashland-water.com
En España:Ashland E&PS Spain S.A.C/ Frederic Mompou, 54a plantaE-08960 Sant Just DesvernTeléfono: +34 93 470 69 77Fax: +34 93 206 41 09
3
4
5
5
6
8
13
13
17
20
24
24
25
Página
POLYSTABIL®
Inhibidores de incrustaciones para la pre-vención de incrustaciones inorgánicas en plantas depuradoras de aguas residuales
Índice
Incrustaciones en sistemas conductores de agua
Incrustaciones minerales en plantas depuradoras Clases de incrustaciones minerales
Causas de la formación de incrustaciones
Mecanismos de la inhibición de incrustaciones
Inhibición efectiva de incrustaciones con productos POLYSTABIL
Aplicación práctica
Características químicas y físicas de los tipos de POLYSTABIL
Métodos de pruebas de laboratorio
Ejemplos de aplicación Estabilización de un proceso de deshidratación delodosdeclarificación
Optimación de los costes de explotación de un calentador de lodos para su deshidratación
4
En muchas instalaciones industriales en las que se mueven corrientes de agua, las incrustaciones representan un problema eminente, puesto que su formación estádirectamenterelacionadaconunareduccióndelaeficaciadelainstala-ción. Los problemas pueden presentarse de diversas maneras: por ejemplo las incrustacionesmuyfinasenintercambiadoresdecalordecentraleseléctricasyrefineríasyaafectansensiblementelaeficaciaylacapacidaddelequipoyporlo tanto también de toda la instalación.
En cambio las incrustaciones en sistemas de tuberías según el grosor de las mismas causan un incremento de la carga de las bombas y consecuentemente una notable reducción de caudal, que puede originar, en el caso de conductos de agua y en zonas con agua muy dura, rápidamente una obstrucción total.
Generalmente se diferencia entre incrustaciones inorgánicas o minerales, como son la caliza o incrustaciones de fosfato e incrustaciones orgánicas. Las últimas son aglomeraciones de bacterias las cuales a su vez pueden causar multitud de problemas derivados. A continuación se describen y discuten exclusivamente incrustaciones inorgánicas y los problemas que éstas causan en plantas depura-doras. Aunque las incrustaciones que se hallan en las plantas depuradoras son raras veces meramente minerales u orgánicas, las incrustaciones con compo-nentes inorgánicas constituyen el mayor problema.
Incrustación de carbonato / óxido de hierro con principios orgánicos
La dimensión y el aspecto de incrustacionesen sistemas de tuberías son extremamente diversos
EstruvitaIncrustación de carbonato / óxido de hierro
Incrustaciones en sistemas conductores de agua
5
Incrustaciones minerales en plantas depuradoras
Clases de incrustaciones minerales
PAM, estruvita: Fosfato amónico magnésico / NH4Mg[PO4]·6H2O
Según las condiciones de crecimiento, PAM puede formar tanto incrustaciones muy duras y sin estructura como aquellas con una estructura cristalina muy finamenteacentuada,queluegosedejanrompermuyfácilmente.
Piedra caliza, calcita: Carbonato de calcio / CaCO3
Una cristalización de piedra caliza ya puede observarse a partir de pH 7,5. Es más soluble que p.ej. hidroxilapatito y PAM (fosfato amónico magnésico-estru-vita) y forma, debido a su tendencia a disoluciones sobresaturadas, costras muy duras. Incrustaciones de carbonato no son únicamente un problema en plantas depuradoras, sino también en todos los campos (hogares) con aguas duras.
La cristalización de PAM depende del pH y de la concentración de fosfato. En concentraciones a partir de aprox. 140 ppm ya puede producirse una cristaliza-ción con pH 7, mientras que concentraciones de 90 ppm e inferiores requieren un pH de 8.
Hidroxilapatito: [3Ca3(PO4)3·Ca(OH)2]
Por regla general precipitaciones fosfáticas no son de fosfato de cálcico puro, sino cristales mixtos de diversas sales fosfóricas, entre otras también hidroxi-lapatito. Se halla sobre todo en procesos de centrado de centrífugas, cuando el pH es aprox. 8, la concentración de fosfato > 60 mg/l y la concentración de calcio > 80 mg/l. Con frecuencia su estructura es más bien arenosa hasta viscosa que dura-cristalina.
Hidrato de óxido de hierro
Con un alto porcentaje de hierro en el agua, como puede hallarse en plantas depuradoras, por ejemplo después de una separación química de fosfato o en viejas tuberías de hierro de aguas industriales, pueden formarse sedimentos de colorrojoóxido,decomposicióndifícilmentedefinible,deóxidosdehierroehidratos de óxido de hierro. Muy a menudo incrustaciones de carbonato y de fosfato también son teñidas por porciones de hierro de color rojo óxido.
6
De la ecuación núm. 3 se infiere, por qué se precipita carbonato de calcio en la desgasificación de dióxido de carbono: si se extrae dióxido de carbono del equilibrio, la reacción transcurre más fuerte hacía el lado derecho de la ecuación y del carbonato hidrógeno se forma carbonato. Según la núm. 4
éste se precipita con iones de calcio como calcita.
carbonato hidrógeno
carbonato
calcita
Causas de la formación de incrustaciones
Los iones que contienen las corrientes de agua, como aguas industriales, aguas residuales y aguas lodosas, que se presentan en plantas depuradoras, se man-tienen en equilibrio con dióxido de carbono disuelto. Según la condición de equilibrio, que es al mismo tiempo una función de la temperatura, se origina un determinadopH,cuyonivelinfluyedirectamenteenelequilibriodesolubilidadde las sales presentes en disoluciones.
Sometiendoestasaguasafluctuacionesdelapresión,p.ej.mediantebombas,toma de agua o deshidratación y espesamiento en centrífugas, se desprende dióxido de carbono del equilibrio de la disolución. Esto ocasiona un aumento depH.Medianteladesgasificacióndedióxidodecarbonoseperturbaelequi-librio del ácido carbónico. Por otra parte el aumento de pH origina una subida de la concentración de aniones como iones de carbonato, de fosfato hidrógeno y de fosfato. Si estos iones están en equilibrio con iones metálicos como calcio, magnesio o hierro, pueden producirse precipitaciones, ya que se exceden los productos de solubilidad de las sales en precipitación.
A raíz de estas relaciones se induce la formación de incrustaciones de carbo-nato, particularmente en centrífugas, durante la deshidratación. Entonces las incrustaciones se encuentran en el sistema de tuberías de centrado, a menudo ya en la centrífuga.
En la disolución de dióxido de car-bono en agua se forma un sistema de tampón de carbonato y carbo-
nato hidrógeno que se describe mediante las siguientes reacciones
de equilibrio.
7
Daños por incrustaciones en la zona de salida del centrado
Incrustaciones minerales pueden provocar daños considerables en centrífugas. La formación de in-
crustaciones no se presenta durante el funcionamiento, sino
sobre todo durante las fases de inactividad. Conforme a esto
los daños aparecen en el rearranque de las máquinas.
Además, la formación de incrustaciones de fosfato todavía se ve favorecida por otro efecto. Si se realiza una precipitación de fosfato con sales de hierro, se forma fosfato férrico. En zonas anaerobias, como p.ej. el tanque de digestión, se rediluye Fe(III) y se reduce a Fe(II). En consecuencia se vuelve a disponer del fosfato diluido. En instalaciones con eliminación de P-Bio también pueden producirse redisoluciones de fosfato en zonas anaerobias hasta magnitudes de 150 ppm.
En sistemas anaerobios como di-gestores pueden rediluirse consi-
derables cantidades de fosfato:hasta un 15 % del fosfato química-mente combinado y hasta 150 ppm
del fosfato que está combinado biológicamente mediante P-Bio,
pueden ser nuevamente liberados y formar precipitaciones junto con
iones de calcio.
Dentro del margen de la degradación de proteínas en medios anaerobios se producesulfitodeaminoácidossulfurados,queformaconelFe(II)presenteFeS (pirita) difícilmente soluble. Esta sustancia se halla mayoritariamente en loslodosyleconfieresucoloroscuro.IncrustacionesdeFeSenparedessonmás bien escasas.
Por un lado el fosfato presente puede formar con el calcio existente, difícilmente soluble, fosfato de calcio, pero por otra parte con magnesio y amonio, PAM: fosfato amónico magnésico. El amonio está presente en altas concentraciones, ya que éste se produce en la degradación anaerobia de los grupos amínicos de aminoácidos, que contienen nitrógeno.
8
Perfil característico de inhibidores de incrustación en función de la composición de monómeros: Se pueden elaborar productos con
una óptima aplicación mediante copolimerización selectiva o mez-
cla de polímeros.
DispersiónEstabilización
Acrilato
Sulfonato
Fosfato
Mecanismos de la inhibición de incrustaciones
El mecanismo de la inhibición de incrustaciones se determina por la condición de velocidad de los pasos parciales de nucleación y de crecimiento nuclear o de cristales.
Por nucleación se entiende la formación espontánea de partículas microscópicas, microcristales, de iones diluidos p.ej. cristales de carbonato de calcio, de iones de calcio y carbonato diluidos. Estos núcleos mínimos pueden o bien volver a desintegrarse igual de espontáneamente, o continuar creciendo, hasta alcanzar un cierto tamaño supercrítico. Por encima de este tamaño, en forma de microcris-tales, éstos son estables, ya no se desintegran y continúan creciendo formando grandes estructuras cristalinas, que son perceptibles como incrustaciones.
A menudo los mecanismos de inhibición de incrustaciones también se describen con los términos siguientes:
Efecto Threshold Inhibición / imperfección de la estructura cristalina / estabilización Dispersión
Los productos corrientes de uso comercial muestran estos efectos de forma másomenospronunciada.Especialmentesignificativoparaelgradodeéstoses la naturaleza química del producto. Así muestran p.ej. productos basados en poliacrilato propiedades estabilizadoras medias, pero un efecto dispersante muy bueno. Productos con alto porcentaje de fosfato tienen una acción estabi-lizadora buena, pero una fuerza de dispersión muy baja. En cambio los copo-límeros acrílicos de ácido sulfónico destacan por una pronunciación muy alta deambascaracterísticas.Sinembargomediantelamodificacióndelproducto,como la relación de copolimerización de los monómeros, pueden optimizarse selectivamente los efectos.
9
Efecto Threshold
Como efecto Threshold se describe la observación que una disolución sobresa-turada, p.ej. de carbonato de calcio, se mantiene estable durante un largo periodo de tiempo sin precipitaciones visibles, cuando se añade un polielectrolito (p.ej. poliacrilato sódico) en cantidades hipoestequiométricas.
El efecto puede describirse de la siguiente manera:
Se presenta una disolución sobresaturada de CaCO3 con un volumen inhi- bidordeincrustaciónsuficiente.
Algunos iones Ca forman con iones carbonato CaCO3 insoluble y micro cristalino, que inmediatamente es cubierto, mediante adsorción, en la su- perficieconmoléculasinhibidorasdeincrustación.
Estas partículas insolubles y muy pequeñas (50 – 1000 nm) son dispersa- das por el inhibidor de incrustación y frenadas en su crecimiento posterior. Así pues la cantidad diluida de CaCO3 puede descender la concentración de saturación por debajo del (límite de solubilidad), lo que da lugar a que no se formen más partículas.
A nivel de laboratorio resulta muy difícil distinguir las partículas de CaCO3 realmente diluidas de partículas de CaCO3 microcristalinas. En principio esta disolución ‘sobresaturada’ está compuesta de carbonato de calcio diluido y dispersado. Dado que el líquido tiene un aspecto claro, se supone que se trata de una disolución sobresaturada.
Según lo descrito arriba, en realidad el efecto Threshold no es propiamente un mecanismo de acción, sino la denominación de un efecto observable.
Representación gráfica del Efecto Threshold
Derecha (abajo): Si se añade al sistema un inhibidor de incrustación, éste adsorbe sobre
superficies cristalinas e inhibe así su crecimiento posterior. La concentración de Ca de la disolución permanece constante, porque los iones
Ca ya no se solidifican. Sin embargo ahora la concentración de Ca está por encima del límite de saturación [LS]: se estabiliza una disolución sobresaturada.
Izquierda (arriba): La concentración de una disolución sobresaturada con iones Ca disminuye con
el tiempo sin la adición de sustancias antiincrustantes, ya que iones Ca de la disolución se convierten en cristales cálcicos particulares. Los cristales crecen y son visualmente perceptibles en forma de incrustaciones. Con ello disminuye
la concentración de Ca en disolución hasta la concentración de saturación [LS].
Sin inhibidor de incrustaciones Con inhibidor de incrustaciones
10
Estructura reticular cristalina decarbonato de calcio
Generalmente cuanto más duro es un cristal, menos iones extraños u otras impurezas contiene.
Inhibición
La acción de un inhibidor de incrustación se basa en una imperfección de la estructura cristalina, del crecimiento cinético y de la cinética del crecimiento nuclear de la incrustación en formación. También se disminuye la tendencia deaglomeracióndeloscristales.Generalmenteseempleanparaestefinpoli-fosfonatos o policarboxilatos (como los poliacrilatos).
El mecanismo de acción puede representarse claramente con un modelo: La dureza de una incrustación depende esencialmente del grado de pureza y de la simetría de su crecimiento. En el estadio de microcristal, los inhibidores de incrustaciones aún no son capaces de intervenir en el crecimiento cristalino, puesto que las moléculas, en relación a los cristales, son demasiado grandes.
Sin embargo en el caso de los macrocristales, los inhibidores de incrustación son capaces, debido a la carga negativa de los grupos de carboxilato, de ocupar lugares reticulares de aniones y de este modo, alterar su posterior implanta-ciónregular.Asílospoliacrilatoscubrenenposiciónplanalasuperficiedeloscristales y no son recubiertos tan rápidamente por la siguiente capa. Aparecen irregularidades en la estructura cristalina de la incrustación.
Microscópicamente es demostrable que cristales, en presencia de inhibidores de incrustación, se mantienen más pequeños y al contrario de los cristales típi-camente cortantes y puros, muestran estructuras claramente más redondas.
Estas incrustaciones con crecimiento irregular pueden ser más frágiles que las incrustaciones puras y de este modo más fácilmente destruibles y desprendi-blesdelasparedes.Ademáspormediodecantosredondeadossedificultaunaaglomeración de cristales entre ellos mismos.
Carbono C
Oxigeno O
Calcio Ca
11
En la imagen izquierda se perciben los lados lisos donde se produce el crecimiento cristalino y sobre los que se agregan los cristales.
A la derecha en cambio se perciben las estructuras frágiles y menos cristalinas, como las que se producen bajo la acción de inhibidores de incrustación. Son
separadas fácilmente como lodo suelto y eliminadas por la corriente.
Imágenes con microscopio electrónico de la estructura
cristalina de calcita con y sin dosificación de sustancias
inhibidoras de incrustaciones
Sin inhibidor de incrustaciones Con inhibidor de incrustaciones
Así pues la fuerza de enlace de los grupos de carboxilo de los poliacrilatos no depende solamente de la estructura química de los poliacrilatos, sino también del grado de ionización de los grupos de ácidos. Se requieren grupos ionizados paraunabuenaafinidadeléctrica.PorlotantoconvalorespHmuybajosymuyelevados disminuye el rendimiento de los polielectrolitos.
Generalmente el efecto de inhibición de incrustaciones es por un lado una constitución desacelerada de la estructura reticular cristalina y por otro lado la constitución de un sistema menos estable, que facilita el desprendimiento de la incrustación. La actividad de los productos depende de la concentración polimérica, del tipo de los grupos funcionales, del grado de ionización y de la masa molar de los polímeros.
Laadsorcióndelasmoléculasinhibidorasenlasuperficiecristalinanoesfija,sino que representa un equilibrio dinámico: las moléculas inhibidoras vuelven asepararse,sedifundenyocupanotroscentrossuperficiales.Lasestructurascristalinas deformadas que dejan, crecen ahora considerablemente más lentas. Solo así se explica como una cantidad relativamente baja de inhibidor puede ser efectiva. Debido al elevado número de grupos de carboxilo por molécula, muchos centrosdecrecimientocristalinopuedenserinfluidosporunamolécula.
12
Derecha: Antiincrustante adsorbe sobre la superficie cristalina
(arriba). Se inhibe una agregación por medio de las cargas de mismo
signo negativo de las moléculas inhibidoras. Los cristales quedan
dispersados (abajo), incrustaciones se inhiben.
Izquierda: A raíz de la interacción de van-der Waals los distintos
cristales tienden a agregarse (arri-ba). En la escala macroscópica esto
produce incrustaciones p.ej. en paredes de tuberías (abajo).
Dispersión
CuandopartículashidrófilascomoCaCO3 u óxido de hierro deben ser dispersa-das, la estabilización se basa en la constitución de una doble capa eléctrica entre la partícula y el polielectrolito como ácido poliacrílico. Como consecuencia de la carga de giro paralelo de las partículas, éstas se repelen. La carga está estabilizada en cuanto a la dispersión.
En caso de dispersión de partículas no iónicas o hidrófobas, como las partículas contaminantes o el hollín, el efecto se basa en la estabilización estérica. Mediante laadsorcióndelpolímerodecadenalargaenlasuperficiedelapartículasereducenlas fuerzas de atracción (fuerzas van-der-Waals) entre las partículas. La barrera adsorbida debe oscilar al menos en un orden de magnitud de 100 Angström. Así para esta forma de estabilización solo pueden entrar en consideración las combinaciones macromoleculares, como son los polímeros.
La adsorción de los polímeros está estrechamente relacionada con la disper-sióndeéstosenlasuperficiedelasustanciaadispersar.Unefectoprácticodeeste fenómeno es el denominado consumo del producto. Se entiende por ello la pérdida o el consumo de polímero durante la aplicación. Generalmente el consumo del producto es superior a la parte que se genera mediante adsorción en partículas, ya que también se adsorbe una determinada porción en las pa-redes de las tuberías. Sin embargo después de un cierto tiempo, aquí debería producirse un equilibrio y no originar un consumo posterior.
Sin inhibidor de incrustaciones Con inhibidor de incrustaciones
13
La triple acción de POLYSTABIL
Estabilización / inhibiciónLa formación de costras cristalinas estables se inhibe mediante la perturbación de la estructura reticular cristalina.
Efecto ThresholdSe aumenta la solubilidad de sales formadoras de incrustaciones.
DispersiónLas moléculas poliacrílicas envuelven las partículas cristalinas y así evitan su aproximación y agregación.
POLYSTABIL marca la diferencia
lzquierda: Incrustaciones de CaCO3 / Fe2O3 en una tubería de centrado, que crecieron en el plazo de 1 año.
Derecha: Aspecto de la misma tubería después de realizar la limpieza inicial y la aplicación de 10 - 15 ppm POLYSTABIL KWS durante aprox. 6 meses.
Inhibición efectiva de incrustaciones con los productos POLYSTABIL®
Aplicación práctica
Para combatir selectiva y sistemáticamente problemas de incrustación se reco-mienda llevar a cabo el siguiente proceso:
Las partes preferidas de formación de incrustaciones en plantas depuradoras son centrífugas, tuberías de centrado, bombas, espesadores, cambiadores de calor y, en función de las condiciones de proceso, digestores.
Paso 1: ¿Dónde se forman incrustaciones?
14
Iones polivalentes de metal, tales como hierro (II) o hierro (III) pue-den formar complejos con ácidos poliacrílicos y con ello perjudicar
su eficacia. La novedosa composi-ción de POLYSTABIL NOW garan-tiza una eficaz acción antiincrus-
tante incluso con altos contenidos de hierro.
Paso 2: Determinación del tipo de incrustación
Del tipo de incrustación depende la limpieza inicial así como la selección del producto y la dosis.
Con medios sencillos e in situ ya puede detallarse de manera bastante precisa la naturaleza de la incrustación:
Carbonato: Formación de burbujas de gas en caso de tratamiento con ácido acético / ácido cítrico.
Fosfatos: Disoluciones lentas sin formación de burbujas en ácidos minerales semiconcentrados o lejías.
Óxido de hierro: Perceptible visualmente como óxido.
Detalles más precisos sobre la composición de las correspondientes incrusta-ciones pueden obtenerse en el laboratorio.
Paso 3: Determinación del producto óptimo
Con la ayuda del P-MAC y con una muestra de agua original se puede simular tanto la formación de incrustaciones como averiguar el inhibidor óptimo de incrustaciones. Sin embargo se ha demostrado que POLYSTABIL® KWS puede emplearse universalmente con éxito frente a la mayor parte de incrustaciones existentes, en particular carbonato.
En los casos de un alto contenido de óxido en las aguas residuales puede producirse una inhibición más o menos importante de los poliacrilatos. En estos casos reco-mendamos la aplicación del inhibidor de incrustaciones POLYSTABIL NOW.
Incrustaciones de carbonato con un alto porcentaje de óxido de hierro
15
Paso 5: Limpieza inicial
Los productos POLYSTABIL contra incrustaciones minerales no pueden eliminar incrustaciones ya existentes. Si fuera necesario debe realizarse una limpieza ini-cialporunaempresaespecializadapreviaaladosificacióndePOLYSTABIL.
Paso 4: Determinación del punto de dosificación
Por norma general: Dosificarlomáscercaposibledelantedellugarincrustado,perogarantizan-do una mezcla homogénea.
Hay que tener en cuenta que la actividad de los inhibidores de incrustaciones POLYSTABIL®, debido a su naturaleza química, puede verse afectada por otras sustancias presentes en el agua. Por lo tanto deberían evitarse largos trayectos de transporte en la fase líquida.
Si las incrustaciones aparecen ya en la centrífuga, el POLYSTABIL
se puede dosificar junto con la solución de floculante, inmediata-
mente previo al contacto con el fango. Si se forman incrustaciones
en las tuberías del centrado, una dosificación directa en las mismas
es posible.
El punto de dosificación debería estar lo más cercano posible al de la formación de las incrustaciones.
POLYSTABIL
Fácil manipulación - poco esfuerzo
En la imagen se dosifica POLYSTABIL sin diluir mediante una bomba de membranas en el efluente del centrado.
En la mayoría de las aplicaciones los inhibidores de incrustaciones POLYSTABIL pueden dosificarse sin diluir directamente mediante una bomba. Solo en
medios altamente viscosos se aconseja una postdisolución. Para evitar dosificaciones erróneas durante el paro de la instalación, se recomienda bloquear la bomba de dosificación mediante el control de la centrífuga.
16
Monitorización de la presión durante el funcionamiento
de centrifugasMonitorización de la presión durante el funcionamiento de centrifugas
Dosis: 16 g POLYSTABIL KWS por m3 de fango en la línea 1
Lavados de limpieza con agua en la línea 2
línea 1
Ambas centrifugas con igual rendimiento
Pres
ión
(cm
en
la c
olu
mn
a d
e ag
ua)
Tiempo de prueba (días)
Paso 6: Dosificación y monitorización
Laadiciónmediantebombasdedosificaciónserigesegúnlosvaloresempíricoso las recomendaciones de laboratorio. Habitualmente se puede empezar con una dosis de 30 ppm. En caso de incrustaciones muy intensas puede aumentarse la dosis a 40 – 50 ppm.
Una monitorización visual de la efectividad puede llevarse a cabo, p.ej. después de la abertura de zonas sensibles de las tuberías o mediante adaptadores de tuberías adicionalmente insertados.
Asimismo puede observarse, durante un periodo determinado, el desarrollo de la presión en el sistema de las tuberías en cuestión: la imagen muestra dos sondas manométricas con las que se determinaron las curvas de presión (abajo indicadas) en tuberías de centrado de dos centrífugas funcionando en paralelo ytrabajandoconysindosificacióndePOLYSTABIL®, respectivamente.
La frecuencia de control se rige por la velocidad previa de formación de incrustaciones.
17
Relaciones entre las características del producto y el efecto dispersante Polielectrolítos aniónicos del tipo ácido poliacrílico (PAA) presentan una clara dependencia del efecto dispersante del peso molecular (PM). Así los PAA ho-mopolímeros con un peso molecular (PM) de 1000 hasta 2500 tienen buenas propiedades antiincrustantes, mientras que los PAA con un PM superior a 2500 son buenos dispersantes.
Características químicas y físicas de los tipos de inhibidores de incrusta-ciones POLYSTABIL®
Los inhibidores de incrustaciones de la serie POLYSTABIL son polímeros de bajo peso molecular del ácido acrílico. Éstos, según el tipo de aplicación, están adicionalmente compuestos de otros componentes que permiten optimizar las propiedades de estabilización y dispersión.
KW Poliacrilato Bajo 5 - 7 40 < 250
KWD Poliacrilato- Bajo 5 - 7 40 < 500 copolímero
KWP Poliacrilato/- Bajo 5 - 7 40 < 250 fosfonato
KWS Poliacrilato- Bajo 5 - 7 40 < 250 copolímero
NOW Poliacrilato- Bajo 3 - 7 35 < 250 terpolímero
La composición y los datos característicos de los
principales tipos de POLYSTABIL
Relación entre las características del producto
y el efecto dispersante
POLYSTABIL KW Un PAA con un optimizado peso molecular con muy buenas propiedades dispersantes y un buen efecto estabilizador.
POLYSTABIL KWD Ambos productos son PAA modificado con una POLYSTABIL KWS fuerza a dispersante muy elevada y excelentes propiedades estabilizadoras. Estos polímeros combinan de manera óptima las exigencias del mecanismo de inhibición de incrustaciones y de la dispersión.
POLYSTABIL KWP Un poliacrilato con contenido de fosfonato con muy buenas propiedades antiincrustantes.
POLYSTABIL NOW Un terpolímero en base a poliacrilato, que es muy efectivo especialmente en altas concentraciones de hierro, donde los poliacrilatos normalmente pierden eficacia.
POLYSTABIL Composición Peso pH Sustancia Viscosidad molecular seca [%] [mPa·s]
18
Viscosidad de POLYSTABIL en función del contenido
de sustancia activaViscosidad del polímero en función de la concentración
Vis
cosi
dad
en
mPa
. s
Concentración del polímero en %
Aquíseponedemanifiestoquelosmecanismosdeinhibicióndeincrustaciónyde dispersión son distintos. Así pues p.ej. fosfonatos son buenos antiincrustan-tes, pero malas sustancias dispersantes. Por lo tanto era imprescindible reunir las características de los antiincrustantes y de las sustancias dispersantes en un solo producto, para obtener un buen agente antiincrustante.
Medianteunamodificacióndelospoliacrilatospuedetrasladarseelcampodeacción de los productos y de este modo producir polímeros especiales, ajustados a cada aplicación correspondiente y que cumplan con las exigencias.
Comportamiento de la viscosidad de las disoluciones POLYSTABIL®
En muchos casos la viscosidad de los polímeros empleados es de especial impor-tancia,yaquedeelladependeneltamañodelasbombasdedosificaciónylatem-peraturadealmacenamientodelasustanciaacondicionadora.Elsiguientegráficomuestra las relaciones entre temperatura, concentración y viscosidad del producto. Por norma general, con temperatura en descenso aumenta la viscosidad de las disoluciones poliméricas. Con contenido de sustancia seca en descenso, es decir, diluyendo la disolución polimérica con agua, disminuye la viscosidad.
19
Comportamiento a la corrosión de POLYSTABIL® KWS
El potencial de corrosión de partida de POLYSTABIL KWS sobre los mate-rialesempleadosencircuitosdeaguarefrigerantepuedeclasificarsedemuyinsignificante.Elcomportamientoalacorrosióndecualquierclasedealeacióndeaceroafinadoydematerialesdetitaniosemantieneconstanteenpresenciade POLYSTABIL KWS en la concentración de aplicación. Aleaciones básicas deníquelpuedenconsiderarsedelamismamaneraquelosacerosafinados.
Aleaciones normales de acero (St 37) y aleaciones similares mostraron, en las condiciones de ensayo expuestas a continuación, fenómenos de pasivación leves. Los materiales especiales de latón indicaron, en las condiciones de ensayo, una tendencia corrosiva ligeramente aumentada, de modo que la tasa de corrosión resultante<0,01mm/apuedecalificarsedemuybajaymuybuenaparalaaplicación práctica. Comparado con materiales de hormigón no se conocen fenómenos de corrosión.
Las pruebas de corrosión se realizaron conforme al método SOP WK1-001-02. La concentración del producto fue de 45 ppm en todas las pruebas efectuadas. La prueba de los materiales se llevó a cabo en comparación a agua corriente no condicionada.
En representación de la clase de materiales se examinaron los siguientes ma-teriales:
Acero no aleado No. material 1.0037 St 37.2Aleacióndeaceroafilado No.material1.4571V4AaceroAleaciones especiales de latón No. material 2.0460 SoMS 76
Enlaprácticaseconfirmaronenmuchascasoslosresultadosdelaspruebasdelaboratorio.Nosedetectaroninfluenciasperjudicialesdelcomportamientoalacorrosión frente a los productos de la competencia anteriormente utilizados.
Viscosidad de POLYSTABIL en función de la temperatura Viscosidad del polímero en función de la temperatura
Vis
cosi
dad
en
mPa
. s
Temperatura en ºC
20
Métodos de pruebas de laboratorio
El equipo P-MAC 2011 constituye un método para simular la formación de diversas incrustaciones. El equipo permite medir de forma continua (dinámico) el incremento de la presión en un capilar como consecuencia de la formación de incrustaciones con parámetros de ensayo variables o constantes. Basándose en un procedimiento dinámico se examina la efectividad de sustancias antiin-crustantes respecto a la inhibición de incrustaciones con el equipo de medición P-MAC, como p.ej. carbonato de calcio, en un sistema acuoso.
En particular el procedimiento permite comparar diversos productos. Se pueden variar tanto la temperatura como el pH o la composición de las disoluciones formadoras de incrustaciones. Dichas disoluciones también pueden ser susti-tuidas por el agua original del sistema refrigerante. Las grandes variaciones posibles permiten adaptar óptimamente las condiciones de ensayo al caso de aplicación correspondiente.
Representación simplificada del dibujo experimental para testar la inhibición dinámica
de incrustaciones mediante el equipo de ensayo P-MAC
Bomba B
Disolución 2
Disolución 1
Disolución polímera
Bomba A
Medición de presión
En este dibujo experimental esquematizado las disoluciones formadoras de incrustaciones (p.ej. una disolución de carbonato de cloruro cálcico y una de bicarbonato sódico) se transportan mediante un caudal constante a un capilar. Por ejemplo la solución 1 es una solución de cloruro cálcico y la solución 2 unasolucióndebicarbonatosódico.Lasustanciaantiincrustantesedosificaseparadamente. Después de mezclar las disoluciones, puede producirse la pre-cipitación en el capilar a 90 °C de p.ej. carbonato cálcico, que se deposita en la pared interior del capilar.
Seregistralapresiónenelcapilarysetrasfiereaunregistrador.Eldesarrollode la presión es al mismo tiempo una medida para la efectividad del producto con una determinada dosis de la sustancia antiincrustante. Cuanto más baja es la subida de la presión durante un cierto periodo de tiempo con una determinada dosis, más efectivo es el producto.
Instrumentación analítica P-MAC
21
Ensayo estándar
El ensayo empieza con una concentración de inhibidor de 35 ppm de sustancia seca. Este valor es elevado para aplicaciones prácticas. Pero algunos productos de poca potencia tan solo actúan en concentraciones altas. Por otro lado puede tratarseaquídeunasobredosificación,locualoriginaenunadisminucióndelaefectividad. Por lo tanto se reduce poco a poco el contenido de inhibidor en los siguientes niveles, para encontrar el punto óptimo de actuación del producto. Con dosis demasiado bajas aumenta la formación de incrustaciones y sube la presión en la bureta acidimétrica.
LafiguramuestralascurvasdeinhibicióndevariostiposdePOLYSTABILdespués de este ensayo en comparación con un poliacrilato convencional. Las curvas mostradas permiten una buena idea general acerca del campo de acción del producto.
Sin embargo el objetivo principal de este ensayo es la diferenciación de pro-ductos,conlafinalidaddelaaplicacióndemétodosulteriores,despuésdeunapreselección mediante el ensayo estándar.
Protocolo de medición de un ensayo estándar de una inhibición
dinámica de incrustaciones
Poliacrilato convencional
Temperatura: 90 ºCDureza del agua: 30 ºdHDosis de polímero en ppm referidas a sustancia seca
Tiempo en minutos
Pres
ión
en
las
pie
zas
de
la e
scal
a
Inhibición dinámica de incrustaciones en el ensayo estándar
22
Inhibición de incrustaciones de varios tipos de POLYSTABIL en un
ensayo de duración breve
Poliacrilato convencional
Temperatura: 90 ºCDureza del agua: 30 ºdHDosis de polímero: 4,5 ppm sustancia seca
Tiempo en minutos
Pres
ión
en
las
pie
zas
de
la e
scal
a
Presión en las piezas de la escala
Ensayo acelerado
Buenos inhibidores de incrustaciones apenas se distinguen en el ensayo estándar. Por lo tanto se desarrolló otra prueba adicional que realiza durante una hora un seguimiento de la formación de las incrustaciones con una constante baja concentración de inhibidores.
Como la concentración de los inhibidores aplicados de 4,5 ppm es baja para las condiciones de este ensayo, se hallan diferencias tangibles entre los productos aptos y los no aptos. Con este método de prueba al cabo de 15 minutos, los inhibidores de incrustaciones no aptos ya no son capaces de inhibir las incrusta-ciones, mientras que productos muy buenos actúan durante más de una hora.
EnlafigurasedistingueclaramenteladiferenciaentrePOLYSTABIL® y un poliacrilato habitual. Mientras que con esta dosis y durante el periodo de ensayo POLYSTABIL KWP y KWS no permiten ninguna y POLYSTABIL KW solo una baja formación de incrustaciones, en la aplicación de poliacrilatos corrientes la presión sube permanente y continuamente se forman incrustaciones.
23
Ensayo de larga duración
Esteensayopermitehacerafirmacionesconmayororientaciónprácticaquelosensayos anteriormente descritos. Además pueden realizarse diferenciaciones más exactas entre los diferentes inhibidores de incrustaciones.
Debido a que por la duración del ensayo la carga es substancialmente mayor, debe seleccionarse una dosis superior que en el ensayo de duración breve. Según el producto empleado apenas sube la presión indicada durante el periodo de una hora. Después de cuatro horas se formó una leve incrustación con el inhibidor de incrustaciones POLYSTABIL® KW.
Inhibición de incrustaciones de diversos tipos de POLYSTABIL en
un ensayo de larga duración
Poliacrilato convencional
Temperatura: 90 ºCDureza del agua: 30 ºdHDosis de polímero: 15 ppm sustancia seca
Tiempo en horas
Pres
ión
en
las
pie
zas
de
la e
scal
a
Presión en las piezas de la escala
Con POLYSTABIL KWP solo se originó una baja formación de incrustaciones en el tiempo total de 4 horas. Con POLYSTABIL KWS se inhiben por completo hasta 4 horas las incrustaciones. Un poliacrilato habitual en cambio, muestra una formación de incrustaciones substancialmente superior.
24
Ejemplo práctico: Estabilización de un proceso de deshidratación de lodos de clarificación El problema
En una planta depuradora con precipitado simultáneo se deshidrata el lodo estabilizado anaerobiamente por centrífugas. Durante todo el año se observó la intensa formación de una incrustación mineral muy sólida tanto en el sistema de tubería de centrado como en los tambores y rebosaderos de las centrífugas.
Punto de dosificación
Para verificar visual y regularmente la efectividad del producto antiincrustante POLYSTABIL NOW, se insertó una pieza fácilmente desmontable
en el conducto central.
La solución
Tras el análisis de la incrustación en el laboratorio, debido al alto contenido de hierro se recomendó POLYSTABIL® NOW como sustancia antiincrustante.
Después de la limpieza inicial de todo el sistema se instaló un punto de dosi-ficacióndelantedelacentrífuga.Elpuntoescogidoseencontrabacercadelaentrada de lodos de la centrífuga, pero aún garantizaba una buena mezcla con el lodo. Se empezó con una dosis de 30 ppm de producto no diluido.
Centrifuga y rebosaderos
El proceso tuvo que detenerse varias veces al año para realizar una limpieza de las tuberías de centrado con ácido. Además se tuvieron que limpiar las
centrífugas dos veces en un año.
25
EnelplazodeunañosepudoreducirlacantidaddosificadadePOLYSTABIL® en más de un 20 % hasta alcanzar aproximadamente 22 ppm.
Consideración coste / beneficio
Sin el agente antiincrustante POLYSTABILLimpieza con ácido 4x / año: aprox. € 10.500Limpieza de la centrífuga 2x / año: € 5.000Agente antiespumante: aprox. € 21.800Coste global / año: aprox. € 37.300
Con el agente antiincrustante POLYSTABIL NOWAgente antiespumante: aprox. € 14.100POLYSTABIL NOW: aprox. € 14.000Coste global / año: aprox. € 28.100
Ahorro / año: aprox. € 9.200
Diagrama del proceso de secado del fango previo
a la aplicación de POLYSTABIL
Biología
Filtro biológico
Condensadorde vapor
Vapordesprendido
Regulación de nivel
Intercambiador térmico de placas
Ejemplo práctico: Optimización de los costes de explotación en la deshidrata-ción de lodos mediante secador de discos El problema
Después de su espesamiento, digestión y deshidratación, los lodos de una planta depuradora con un tratamiento para 1,2 millones habitantes/e se deshidratan mediante centrífugas a través de un secador de discos.
26
Biología
Filtro biológico
Vapordesprendido
Condensadorde vapor
Regulación de nivel
Alimentación planta depuradora (T = 40 - 50 °C)
Agua industrial(T = 20 - 25 °C)
POLYSTABIL(Dosis: approx. 30 ppm)
Diagrama del proceso de secado del fango después de la aplicación
de POLYSTABIL
Después de la condensación, se refrigeró el vapor desprendido naciente medi-ante un intercambiador térmico de placas y se transportó por el circuito hasta la condensación de vapores. Debido al elevado grado de dureza del agua industrial disponible para la refrigeración, se formaron rápidamente incrustaciones en el lado del agua de los intercambiadores térmicos provocando una reducción drástica del rendimiento y fueron necesarias nuevas medidas de limpieza, con los correspondientes altos costes en tiempo y dinero.
Después de la parada de los intercambiadores térmicos, se condujo el agua industrial directamente al condensador de vapores. Pero tanto éste como los sucesivos grupos, como p.ej. la bomba, etc., resultaron inutilizables al cabo de pocas horas, debido a la intensa formación de incrustaciones y tuvieron que ser limpiados.
La solución
Un análisis de las incrustaciones originadas y una simulación de la formación deincrustacionesenelP-MAChanidentificadoPOLYSTABIL® KWS como la sustancia antiincrustante más indicada.
Directamente delante de la entrada del condensador de vapores se creó un puntodedosificaciónparaesteproducto.Debidoalaformaciónmuyeleva-da de incrustaciones, se empezó con una dosis de 50 ppm de POLYSTABIL KWS. La efectividad antiincrustante se controló mediante la constancia de la diferenciadetemperaturasentreelinfluyentedelaguaindustrialyelefluentedel condensador o bien el estado de la bomba tras del condensador.
27
Tras un periodo de explotación de 9 meses el sistema seguía funcionando sin averías. Se pudo reducir la dosis de POLYSTABIL® KWS hasta aprox. 30 ppm.
Consideración coste / beneficio
Menor coste de explotación Mayor disponibilidad del secado de lodos Mayor seguridad de explotación Menor coste de personal
Coste de mantenimiento para aprox. € 77.000 intercambiadores térmicos / año:
Coste global del sistema inhibidor aprox. € 55.000 de incrustaciones / año:
Ahorro / año: aprox. € 22.000
Seentiendequetodaslasdeclaraciones,lainformaciónylosdatoscontenidosenestedocumentosonverídicosyfiables,peronodebenconsiderarseunagarantía,implícitaoexpresa,desuaptitudoidoneidadparaunfindeterminado,niunade-claración, expresa o implícita, por la que el vendedor asuma responsabilidad legal alguna, y se ofrecen solamente a efectos desuestudio,investigaciónyverificación.Lasafirmacionesosugerenciassobreelposibleusodeesteproductoserealizansin la manifestación o garantía de que dicho uso esté libre de violar la patente correspondiente, y no son recomendaciones para violar ninguna patente.
Ashland Deutschland GmbH Ashland Water TechnologiesFütingsweg 20, D-47805 Krefeld Postfach 10 04 52, D-47704 Krefeld Teléfono: +49 2151 38 3052 Fax: +49 2151 38 1106 [email protected] www.ashland-water.com
® M
arca
reg
istr
ada,
Ash
land
I ©
200
8, A
shla
nd I
Julio
200
8, V
02
En España:Ashland E&PS Spain S.A.C/ Frederic Mompou, 54a plantaE-08960 Sant Just DesvernTeléfono: +34 93 470 69 77Fax: +34 93 206 41 09
