ES2298245T3 - Procedimientos de sintesis de un oxidante y aplicaciones de los mismos. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para sintetizar en continuo una solución de ferrato acuosa, que comprende: a) mezclar una solución acuosa que comprende una sal de hierro y un agente oxidante en una cámara de mezclado; b) introducir al menos una porción de la solución acuosa en una cámara de reacción; c) generar en continuo una solución de ferrato acuosa en la cámara de reacción; d) introducir al menos una porción de la solución de ferrato acuosa, sin conversión a la fase sólida a un sitio de utilización durante cierto tiempo de tal manera que la concentración de ferrato a nivel del sitio de utilización en el momento de la introducción es igual o superior a la mitad de la concentración de ferrato a nivel del sitio de generación; y e) añadir la solución acuosa adicional a la cámara de mezclado.
Description
Procedimientos de síntesis de un oxidante y
aplicaciones de los mismos.
La presente invención se refiere generalmente, a
la producción y a la aplicación del ión de ferrato. más
particularmente, la presente invención se refiere a procedimientos
y dispositivos para tratar, con el ión de ferrato, soluciones que
contienen impurezas.
El ión de ferrato Fe O_{4}^{2-}, es un ión
tetraédrico que se cree que es isoestructural con cromato, Cr
O_{4}^{2-}, y permanganato, Mn O_{4}^{-}. Se ha sugerido que
el ión de ferrato es susceptible de existir en medios acuosos como
las especies tetraédricas Fe O_{4}^{2-}. Los potenciales Redox
FeO_{4}^{2-} para el ión de ferrato han sido estimados tanto en
medios ácidos como básicos (R. H. Wood, J. Am. Chem. Soc., Vol. 80,
p. 2038-2041 (1957)):
El ferrato es un oxidante fuerte que puede
reaccionar con una variedad de agentes y sustratos reductores
inorgánicos u orgánicos (R. L. Bartzatt, J. Carr, Trans. Met.
Chem., Vol. 2, pp. 279-283 (1971); D. Darling, V.
Kumari, y J. BeMiller, J. Tetr. Lett., Vol. 40, p. 4143 (1972); y
R.K. Murmann y H.J. Goff, J. Am. Chem. Soc., Vol. 93, p.
6058-6065 (1971)). Por consiguiente, puede actuar
como un oxidante selectivo para estudios orgánicos sintéticos y es
capaz de oxidar/eliminar una variedad de compuestos orgánicos e
inorgánicos, y de destruir muchos contaminantes en medios acuosos y
no acuosos.
En ausencia de un reductor más adecuado, el
ferrato reaccionará con el agua para formar ión férrico y oxígeno
molecular de acuerdo con la siguiente ecuación (J. Gump. W. Wagner,
y E. Hart, Anal. Chem., Vol. 24., p. 1497-1498
(1952)).
Esta reacción es de particular interés para el
tratamiento de agua porque proporciona un mecanismo adecuado para
la autoeliminación de ferrato de solución. En todas las reacciones
de oxidación, el producto de hierro final es el ión férrico no
tóxico que forma oligómeros de hidróxido. Eventualmente se produce
floculación y sedimentación que eliminan materia en partículas
suspendidas.
Por consiguiente, el uso de ferrato puede
proporcionar una alternativa segura, conveniente, versátil y de
coste efectivo parta procedimientos actuales para el tratamiento de
agua, aguas residuales y fango. A este respecto, el ferrato es un
oxidante respetuoso con el medio ambiente que representa un
sustituto viable para otros oxidantes, particularmente cromato y
cloro, los cuales preocupan al medio ambiente. El óxido férrico,
típicamente conocido como herrumbre, es el producto de hierro de
oxidación por ferrato. Por tanto, el ferrato tiene la distinción de
ser un oxidante "ambientalmente seguro". Aunque las reacciones
de oxidación con ferrato parecen similares a las conocidas para
permanganato y cromato, el ferrato muestra una mayor selectividad de
grupo funcional con mayor proporción de reactividad en sus
oxidaciones y generalmente reacciona para producir un producto de
reacción más limpio.
Un problema que obstaculiza la implementación de
ferrato es la dificultad en su preparación. Esta dificultad puede
llevar a costes de producción incrementados. Además, aparte del
coste, los procedimientos actuales conocidos para producir un
producto de ferrato efectivo y comercialmente útil, y los resultados
de estos procedimientos, han sido menos que satisfactorios. Existe
una necesidad de nuevos procedimientos de preparación sintéticos
que sean más fáciles y menos costosos para proporcionar material de
ferrato a precios económicamente competitivos.
Se conocen tres procedimientos para síntesis de
ferrato, electrólisis, oxidación de Fe_{2}O_{3} en una
disolución alcalina, u oxidación de Fe(III) en una solución
alcalina concentrada con un oxidante fuerte.
En el laboratorio, por medio de oxidación de
hipoclorito de hierro (Fe(III)) en una solución (NaOH)
altamente alcalina, el producto de ferrato ha sido precipitado por
la adición de KOH saturado (G. Thompson, L. Ockerman, y J.
Schreyer, J. Am. Chem. Soc., Vol. 73, pp. 1379-81
(1951)):
El sólido púrpura resultante es estable
indefinidamente cuando se mantiene seco.
La producción comercial de ferrato usa
típicamente un esquema sintético similar a la preparación de
laboratorio, involucrando también una reacción de hipoclorito. más
comúnmente, usando oxidación alcalina de Fe(III), se prepara
ferrato de potasio (K_{2}FeO_{4}) a través de oxidación de cloro
gaseoso en sosa cáustica de hidróxido férrico, involucrando un
intermediario de hipoclorito. Otro procedimiento para la producción
de ferrato fue descrito por Johnson en la patente US nº
5.746.994.
Un número de dificultades están asociadas con la
producción de ferrato utilizando el procedimiento descrito
anteriormente. Por ejemplo, varios requisitos para la pureza de
reactivos deben asegurarse para el rendimiento y pureza del ferrato
al máximo. Sin embargo, aun con estos requisitos satisfechos, la
pureza del producto de ferrato de potasio aun varía en gran medida
y depende de muchos factores, tal como el tiempo de reacción,
temperatura, pureza de reactivos, y proceso de aislamiento. El
ferrato preparado de esta manera generalmente contiene impurezas,
siendo los mayores contaminantes hidróxidos y cloruros metales
alcalinos, y óxido férrico. Sin embargo, las muestras de este grado
de pureza son inestables y se descomponen fácilmente completamente
en óxidos férricos.
Aparte de los problemas específicos con las
impurezas e inestabilidad del producto, existen también problemas
mecánicos asociados con el aislamiento del producto de ferrato
sólido, tal como el filtrado de lejías frías que tienen una
consistencia del tipo meloso.
Otros procesos para la preparación de ferratos
se conocen y se usan, muchos de los cuales involucran asimismo las
reacciones con hipoclorito. Por ejemplo, la patente US nº 5.202.108
de Deininger describe un proceso para preparar ferrato (VI) de alta
pureza y estable, usando óxido férrico beta (beta- Fe_{2}O_{3})
y preferentemente óxido férrico beta monohidratado (beta-
Fe_{2}O_{3} H_{2}O) donde la corriente de productos no
utilizados puede reciclarse hacia el reactor de ferrato para la
producción de ferrato adicional.
Las patentes US nº 4.385.045 y nº 4.551.326 de
Thompson describen un procedimiento para preparación directa de un
metal alcalino o ferratos de metales alcalinotérreos a partir de
materiales de inicio económicos, fácilmente disponibles, en el que
el hierro en el producto tiene la valencia de +4 o +6. El
procedimiento involucra hacer reaccionar óxido de hierro con un
óxido o peróxido de metal alcalino en una atmósfera libre de oxígeno
o haciendo reaccionar hierro elemental con un peróxido de metal
alcalino en una atmósfera libre de oxígeno.
La patente US nº 4.405.573 de Deininger et
al describe un proceso para preparar ferrato de potasio en
cantidades a gran escala (diseñado para ser un proceso comercial)
haciendo reaccionar hidróxido de potasio, cloro y una sal férrica
en presencia de un compuesto estabilizador de ferrato.
La patente US nº 4.500.499 de Kaczur et
al describe un procedimiento para obtener sales de ferrato de
metal alcalinotérreo o metal alcalino, altamente purificadas, a
partir de una mezcla de reacción de ferrato crudo, usando
procedimientos de operación tanto en lote como continuos.
La patente US nº 4.304.760 de Mein et al
describe un procedimiento para retirar selectivamente hidróxido de
potasio a partir de ferrato de potasio cristalizado lavándolo con
una solución acuosa de una sal de potasio (preferentemente una sal
de fosfato para promover la estabilidad del ferrato en la fase
sólida así como también en solución acuosa) y un ácido inorgánico a
un pH alcalino.
La patente US nº 2.758.090 de Mills et al
describe un procedimiento para preparar ferrato involucrando una
reacción con hipoclorito, así como un procedimiento para estabilizar
el producto de ferrato de manera que pueda usarse como un agente
oxidante.
La patente US nº 2.835.553 de Harrison et
al describe un procedimiento, usando una etapa de calentamiento,
en el que se preparan nuevos ferratos metales alcalinos con una
valencia de + 4 haciendo reaccionar el ferrato (III) de un metal
alcalino con el óxido (o peróxido) del mismo metal alcalino, o uno
diferente, para producir el ferrato (IV) correspondiente.
La patente US nº 5.284.642 de Evrard et
al describe la preparación de ferratos de metales alcalinos o
alcalinotérreos que son estables e industrialmente utilizables como
oxidantes, y el uso de estos ferratos para el tratamiento de agua
mediante oxidación. También se describe la estabilización de
sulfato.
El documento WO 99/29628 da a conocer un
procedimiento para la obtención de ferrato granular o que se puede
probar que comprende la etapa de suspender un reactivo oxidable de
partículas que contienen hierro en una fase fundida que comprende
un reactivo de nitrato de metal alcalino y un reactivo de metal
oxialcalino y de hacer reaccionar el reactivo a una temperatura de
reacción comprendida entre aproximadamente 700ºC y aproximadamente
1.100ºC.
El desarrollo de una fuente económica de ferrato
se desea para derivar los beneficios asociados con la aplicación
del ferrato en un amplio rango de procesos. En vista de las
dificultades asociadas con los procedimientos previamente conocidos
para preparar ferratos y los problemas inherentes en el ferrato
producido por estos procedimientos, existe por consiguiente una
necesidad latente para un nuevo procedimiento de preparación para
ferrato que sea fácil, conveniente, seguro y económico, y que evite
los problemas tanto mecánicos como químicos. Existe asimismo la
necesidad de un sistema que reduzca o contrarreste la limitada
estabilidad del ferrato, y de sistemas que empleen ferrato como un
oxidante y desinfectante respetuoso con el medio ambiente.
Se describe un procedimiento para sintetizar en
continuo una solución de ferrato acuosa, que comprende mezclar una
solución acuosa que comprende una sal de hierro y un agente oxidante
en una cámara de mezclado; introducir por lo menos una parte de la
solución acuosa en una cámara de reacción; generar en continuo la
solución de ferrato acuosa en la cámara de reacción; entregar por
lo menos una parte del ferrato en un sitio de uso que está próximo
a la cámara de reacción; y añadir solución acuosa adicional a la
cámara de mezclado.
También se describe un procedimiento para el
tratamiento, en un sitio de uso, de una mezcla acuosa que tiene por
lo menos una impureza, que comprende generar en continuo ferrato en
una cámara de reacción ubicada próxima al sitio de uso, poner en
contacto el ferrato con la mezcla acuosa en el sitio de uso,
mediante lo cual se oxida por lo menos una parte de la
impureza.
También se describe un dispositivo para
sintetizar en continuo una solución de ferrato acuosa, que comprende
una primera cámara de retención; una segunda cámara de retención;
una cámara de mezclado conectada de forma controlada a la primera
cámara de retención y a la segunda cámara de retención, en la cual
se añaden un contenido de la primera cámara de retención y un
contenido de la segunda cámara de retención para formar una mezcla;
una cámara de reacción conectada de forma controlada a la cámara de
mezclado, dentro de la cual se mantiene la mezcla por un período de
tiempo; y una abertura de salida en la cámara de reacción a través
de la cual se puede transportar la mezcla hasta un sitio de uso
próximo.
Se describe también un sistema para sintetizar
en continuo una solución de ferrato acuosa, que comprende una
cámara de retención que contiene una sal de hierro; una segunda
cámara de retención que contiene un agente oxidante; una cámara de
mezclado conectada de forma controlada a la primera cámara de
retención y a la segunda cámara de retención, dentro de la cual se
añaden de manera controlada la sal de hierro y el agente oxidante
para formar una mezcla; una cámara de reacción conectada de forma
controlada a la cámara de mezclado, dentro de la cual se mantiene
la mezcla por un período de tiempo, y en la cual se sintetiza el
ferrato; y una abertura de salida en la cámara de reacción a través
de la cual se puede transportar la solución de ferrato acuosa hasta
un sitio de uso próximo. El "período de tiempo" durante el cual
se mantiene la mezcla en la cámara de reacción puede oscilar desde
segundos a horas y hasta días, pero en cualquier momento debe ser
superior a cero segundos.
Se describe asimismo un procedimiento para
sintetizar una solución de ferrato acuosa en forma continua, que
comprende proporcionar una mezcla de una sal de hierro y un agente
oxidante; introducir en continuo por lo menos una parte de la
mezcla en una cámara de calentamiento; exponer la mezcla a
temperaturas elevadas en la cámara de calentamiento, generando con
ello ferrato; retirar por lo menos una parte del ferrato generado
de la cámara de calentamiento; añadir una mezcla adicional a la
cámara de calentamiento.
Se describe asimismo un dispositivo para
sintetizar en forma continua una solución de ferrato acuosa, que
comprende una cámara de retención; un transportador conectado de
forma controlada a la cámara de retención de manera que por lo
menos una parte de un contenido de la cámara de retención se
transfiera al transportador; una cámara de calentamiento, a través
de la cual se mueve por lo menos una parte del transportador; una
abertura de salida en la cámara de calentamiento a través de la
cual se puede transportar el contenido en el transportador hasta un
sitio de uso próximo.
Se describe asimismo un dispositivo para
sintetizar una solución de ferrato acuosa en forma continua, que
comprende una cámara de mezclado que comprende dos electrodos, en el
que los electrodos proporcionan suficiente corriente eléctrica para
convertir una solución de una sal de hierro en una solución de
ferrato; una cámara de reacción conectada de forma controlada a la
cámara de mezclado, dentro de la cual se mantiene la mezcla por un
período de tiempo; y una abertura de salida en la cámara de reacción
a través de la cual la mezcla se puede transportar hacia un sitio
de uso próximo. La mezcla se mantiene en la cámara de reacción por
un período de tiempo superior a cero
segundos.
segundos.
Se describe asimismo un procedimiento para
sintetizar en continuo una solución de ferrato acuosa, que comprende
proporcionar de manera continua una solución acuosa que comprende
una sal de hierro en una cámara de mezclado, en el que la cámara de
mezclado comprende al menos dos electrodos; proporcionar suficiente
corriente eléctrica a los dos electrodos para convertir al menos
una parte de la sal de hierro en ferrato; entregar por lo menos una
parte del ferrato en un sitio de uso que está próximo a la cámara de
reacción; y añadir solución acuosa adicional a la cámara de
mezclado.
Se describe asimismo un procedimiento para
sintetizar una solución de ferrato acuosa, que comprende mezclar
una solución acuosa y un agente oxidante en una cámara de mezclado;
y entregar al menos una parte del ferrato en un sitio de uso que
está próximo a la cámara de mezclado.
La figura 1 ilustra una forma de realización del
dispositivo para síntesis en fase de solución de ión de ferrato.
La figura 2 ilustra una forma de realización del
dispositivo para síntesis en fase sólida de ión de ferrato.
La figura 3 ilustra una forma de realización del
dispositivo para síntesis electroquímica de ión de ferrato.
La figura 4 es un diagrama de flujo que muestra
algunas formas de realización del proceso para generar y purificar
ferrato.
Un objetivo de la invención es proporcionar un
nuevo procedimiento, conveniente, económico y seguro para producir
una solución de ferrato acuosa. Dicho procedimiento puede producir
la solución de ferrato acuosa, pero puede usarse para preparar
otras sales de cationes Grupo I o Grupo II, u otros cationes sean
metálicos o no.
Un objetivo de la invención es proporcionar un
oxidante respetuoso con el medio ambiente para la aplicación en una
variedad de contaminantes de aguas residuales y problemas de
tratamiento de agua. Dicho oxidante produce un producto o productos
de reacción más limpios y por ello puede usarse para reemplazar
oxidantes existentes del medio ambiente, de laboratorio e
industriales que pueden tener efectos secundarios o costes
importantes.
Un objetivo de la invención es proporcionar un
nuevo oxidante químico, seguro, y económico para la recuperación
industrial y medioambiental, que resuelve los problemas asociados
con oxidantes conocidos para el tratamiento de aguas (por ejemplo,
cloro, hipoclorito, dióxido de cloro, permanganato y ozono) y los
productos de estos oxidantes.
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar un nuevo producto de ferrato para ser usado en el
control de sulfuros, incluyendo gas de sulfuro de hidrógeno, en
sistemas de alcantarillado, plantas de tratamiento, agua
subterránea, e instalaciones para el tratamiento de residuos o
desperdicios.
Un objetivo de la invención es proporcionar un
producto de ferrato mejorado para la recuperación de contaminantes
de propulsión de combustible de cohetes, de uranio, transuránicos
(hidracina y monometilhidracinas) y gas mostaza.
Un objetivo adicional de la invención es
proporcionar un producto innovador para ser usado como coagulante y
desinfectante.
Un objetivo de la invención es proporcionar un
oxidante para ser usado en desinfección y coagulación de agua
potable, control de biocontaminación, descontaminación de aguas
subterráneas, lavado de superficie sólidas y tratamiento de
residuos peligrosos.
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar un oxidante para ser usado en química sintética.
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar un oxidante para ser usado en preparación de
superficies, incluyendo la preparación de superficies de polímeros
y de superficies metálicas.
Para alcanzar por lo menos uno de los objetivos
planteados anteriormente, se proporcionan los siguientes
procedimientos, fabricaciones, composiciones de materia y usos de
los mismos.
Los inventores han descubierto que muchos de los
problemas actualmente no atendidos asociados con el uso del ferrato
se relacionan con la purificación y almacenamiento del ferrato. Por
tanto, en algunas formas de realización de la invención, se
proporciona un sistema para producir ferrato y usarlo
sustancialmente sin purificación, acondicionamiento o preparación
adicional. Debido a que el ferrato en su forma no purificada se
descompone rápidamente, el ferrato producido por los procedimientos
proporcionados no necesita almacenarse. El ferrato puede, y
preferentemente es, usado inmediatamente o sustancialmente pronto
después de su generación. Por consiguiente, ciertas formas de
realización de la presente invención proporcionan un dispositivo que
está diseñado para ser situado en la proximidad del sitio de uso,
de manera que cuando se produce el ferrato pueda ser rápida y
eficientemente entregado en el sitio de uso, sin purificación,
empaque, embarque, transferencia o preparación adicional
sustancial.
Tal como se utiliza en la presente memoria, el
término "sitio de generación" se refiere al lugar donde el
dispositivo para la generación de ferrato está colocado. En una
forma de realización ejemplificativa de la presente invención, el
sitio de generación incluye una cámara de reacción para generación
de ferrato. Los términos "sitio de uso" o "sitio de
tratamiento" se refieren al lugar donde el ferrato se pone en
contacto con el objeto que se va a oxidar, sintetizar, desinfectar,
limpiar, enchapar, encapsular o coagular.
Los términos "proximidad" o "próxima"
son usados en la presente memoria de manera intercambiable. Estos
términos se usan para referirse a ubicaciones del sitio de
generación y el sitio de uso cuando los dos sitios están dentro de
una distancia que permite que el ferrato viaje la distancia dentro
de una vida media de su descomposición. "Vida media" de una
descomposición se entiende como la cantidad de tiempo que tarda la
mitad del material en experimentar alguna descomposición. La vida
media para cualquier composición de ferrato dada dependerá de las
condiciones bajo las cuales el ferrato sea generado y/o almacenado.
Así, por ejemplo, la temperatura, concentración de base,
concentración de agente de oxidación y la presencia de impurezas,
tenderán a afectar la vida media de la composición de ferrato. Sin
embargo, la vida media puede medirse fácilmente por los expertos en
la materia usando técnicas convencionales. Por consiguiente, un
sitio de generación está "próximo" a un sitio de uso cuando la
concentración de ferrato en el sitio de uso en el momento de la
entrega es igual o superior a la mitad de la concentración de
ferrato en el sitio de generación. La distancia entre el sitio de
generación y el sitio de uso está definida en términos de la vida
media y de una duración de tiempo requerida para la entrega, en
lugar de simplemente en términos de desplazamiento físico. De esta
manera, el desplazamiento físico entre un sitio de generación y el
sitio de uso que están en proximidad puede variar dependiendo de la
vida media de la composición de ferrato que se entregue entre los
dos sitios y la velocidad a la cual la composición se suministra.
Por consiguiente, los factores que afectan a la velocidad de
transferencia del ferrato y los factores que afectan a la vida
media afectarán todos al desplazamiento físico máximo permisible
para que los dos sitios queden en proximidad. Factores que afectan
la velocidad de transferencia del ferrato incluyen, pero no se
limitan a,
la presión generada por una bomba usada en la transferencia y el tamaño de bombeo usado en dicha transferencia.
la presión generada por una bomba usada en la transferencia y el tamaño de bombeo usado en dicha transferencia.
Los procedimientos de generación en el sitio
proporcionan un número de ventajas sobre los procesos conocidos.
Inicialmente, debido a que la solución de ferrato acuosa producida
puede usarse sin purificación o estabilización sustancial
adicional, no hay necesidad de almacenarlo o embarcarlo. Además,
eliminando la necesidad de un ferrato altamente purificado se
ahorran costes incrementando la producción de la reacción porque se
necesitan menos materiales de inicio o de partida para conseguir la
misma cantidad de ferrato utilizable.
La práctica actual para hacer y purificar
ferrato involucra la producción de ferrato de sodio usando hidróxido
de sodio, seguida por la precipitación de ferrato de potasio usando
hidróxido de potasio. De esta manera, los procedimientos actuales
usan una base en dos etapas distintas. Los procedimientos de la
presente invención sustancialmente requieren menos base para
producir ferrato utilizable ya que los procedimientos no requieren
la adición de hidróxido de potasio al ferrato de sodio.
De esta manera, el ferrato producido por los
procedimientos de la presente invención puede usarse o purificarse
en una manera de fase solución a solución, esto es, el ferrato se
genera en la fase de solución y se usa en la fase de solución, sin
que intervenga cristalización o conversión a la fase sólida (esto
es, fase de solución a sólido). Si se requiere purificación o
separación parcial, entonces dicha purificación o separación puede
lograrse también en la fase de solución. En ciertas formas de
realización de la presente invención, el ferrato producido no se
convierte a otra fase distinta de la fase de solución.
El concepto fase de solución a solución descrito
anteriormente proporciona ventajas sobre el procedimiento de fase
de solución a fase sólida. Por ejemplo, como se ha descrito
anteriormente, la conversión a sólido o cristalización está
limitada por la naturaleza de los contra-iones. La
cristalización del ferrato de potasio es menos difícil que la
cristalización de ferrato de sodio. El ferrato con ciertos
contra-iones nunca puede ser cristalizado o
cristalizarse bajo condiciones muy difíciles. Usando del concepto de
fase de solución a solución, virtualmente se puede usar cualquier
contra-ión. Además, una vez cristalizado el ferrato,
tendría que volverse a disolver en medios acuosos para poder ser
utilizado. El volver a disolver el ferrato añade tanto costes
(pérdida de ferrato, adición de agua, tanques de disolución, por
nombrar unos pocos) como tiempo (tiempo de disolución) al proceso.
En el procedimiento de fase de solución a solución, el ferrato está
ya en solución acuosa y puede usarse como tal. Además, si debe
ajustarse el pH, es más eficiente ajustar el pH de la corriente de
ferrato una vez producido que ajustar el pH de una solución de
ferrato preparada a partir de la adición de ferrato sólido al agua.
Aún otra ventaja del concepto de fase solución a solución es la
facilidad de producir mezclas a la medida.
Las ventajas anteriores dan lugar a que el
proceso completo sea más barato y más económico que los procesos
disponibles. El coste de producción relativamente bajo permite que
el ferrato pueda usarse en una gran variedad de escenarios, que
hasta ahora no han estado disponibles para los beneficios de
oxidación del compuesto debido a su coste. Mucho más importante, el
ferrato puede estar disponible ahora para instalaciones de
tratamiento de aguas municipales y de aguas residuales, que se
preocupan por los costes.
Además, la generación en el sitio de ferrato
permite que el usuario final controle la cantidad de ferrato que se
va a producir. Esto puede aliviar o reducir la necesidad de control
de inventario de ferrato, además de aliviar o reducir la necesidad
de almacenar el ferrato.
En un aspecto, la invención se refiere a un
procedimiento para sintetizar solución de ferrato acuosa en
continuo, que comprende mezclar una solución acuosa que comprende
una sal de hierro y un agente de oxidación en una cámara de
mezclado; introducir al menos una parte de la solución acuosa en una
cámara de reacción; generar solución de ferrato acuosa en continuo
en la cámara de reacción; entregar al menos una parte del ferrato en
un sitio de uso que está próximo a la cámara de reacción; y añadir
solución acuosa adicional a la cámara de mezclado.
Los expertos en la materia saben que el hierro
puede aparecer en estado de oxidación comprendido entre 0 y +8,
incluyendo los estados de oxidación +1, +2, +3, +4, +5, +6, y +7. El
hierro en el estado de oxidación 0 es hierro elemental. La mayoría
de los compuestos y sales de hierro encontrados en la naturaleza
tienen un estado de oxidación de +2 (Fe(II)) o +3
(Fe(III)). En el contexto de la presente invención, el
término "ferrato" se refiere a un ión que comprende hierro en
sus estados de oxidación +4, +5, +6, +7, y +8, esto es, que
comprende Fe(IV), Fe(V), Fe(VI),
Fe(VII), o Fe(VIII). El ión de ferrato también
contiene átomos de oxígeno. Podría tener o no átomos de otros
elementos. Además, "ferrato" puede también referirse a una
mezcla de iones que comprende hierro en varios estados de
oxidación, en tanto que por lo menos una porción de los iones
comprenda hierro que muestre un estado de oxidación de +4 o mayor.
De esta manera, por ejemplo, ferrato se refiere a un
FeO_{4}^{2-}, en el que el hierro es Fe(VI) y los otros
átomos en el ión son átomos de oxígeno. Una solución que comprende
iones de FeO_{4}^{2-} también puede contener iones que exhiban
hierro en su estado de oxidación +5, o cualquier otro estado de
oxidación, incluyendo la forma elemental de hierro y sería aún
llamado ferrato. De forma similar, una solución de ferrato puede no
contener iones que contengan Fe(VI). Una solución de ferrato
puede comprender también iones que contengan Fe(V) o
Fe(IV). Por lo tanto, cualquier ión que comprende
Fe(IV) o átomos de hierro de estados de oxidación mayores, y
por lo menos un átomo de oxígeno se considera como "ferrato".
Los iones de ferrato pueden ser cationes o aniones.
Los expertos en la materia comprenderán que
cualquier ión requiere un contraión de igual carga aunque opuesta.
Esto es también cierto para los iones de ferrato de la presente
invención. El contraión puede ser cualquier ión que da neutral la
carga total de la mezcla que comprende el ión de ferrato. Cuando el
ferrato es un anión, el contraión puede ser cualquier catión. La
forma más común de ferrato a la fecha es K_{2}FeO_{4}, en el
que el hierro está en su estado de oxidación +6, el ferrato es un
anión y el contraión es potasio. Cualquier otro
contra-catión, tal como, y sin limitarse a sodio,
calcio, magnesio, plata, etc.; puede también estar presente.
Con la expresión "generar en continuo" o
"sintetizar en continuo" se entiende que una vez que el ferrato
empieza a ser introducido en la cámara de reacción, continua
estando allí en una cantidad de ferrato en la cámara de reacción
durante el tiempo que el procedimiento esté siendo llevado a la
práctica. Así, como se describe en la presente memoria más adelante
con mayor detalle, en una forma de realización de un proceso de
generación continua de acuerdo con la presente invención, hay un
flujo constante de material de la cámara de mezclado a la cámara de
reacción. En otras formas de realización, como se describe en la
presente memoria a continuación, el material se transfiere
intermitentemente desde la cámara de mezclado hasta la cámara de
reacción mientras se mantiene al menos algo de ferrato en la cámara
de reacción.
En ciertas formas de realización, la solución
acuosa adicional del procedimiento anterior se añade en una
cantidad para reponer sustancialmente la parte de la solución acuosa
introducida en la cámara de reacción. En el contexto de la presente
invención, para una segunda cantidad para reponer sustancialmente
una primera cantidad, la segunda cantidad puede ser menor, igual o
mayor que la primera cantidad.
En ciertas formas de realización, el
procedimiento para producir ferrato comprende además añadir una base
a la solución acuosa. La base puede comprender una base de
nitrógeno o un ión seleccionado de entre el grupo constituido por
hidróxido, óxido, sulfonato, sulfato, sulfito, hidrosulfuro,
fosfato, acetato, bicarbonato y carbonato, o una combinación de los
mismos. "Bases de nitrógeno" se seleccionan de entre aminas
cíclicas y no cíclicas. Ejemplos de bases de nitrógeno incluyen,
pero no se limitan a, amoniaco, amida, metilamina, metilamida,
trimetilamina, trimetilamida, trietilamina, trietilamida, anilina,
pirrolidona, piperidina y piridina, o sales de las mismas.
Para producir solución de ferrato acuosa con los
procedimientos de la presente invención, debe proporcionarse una
sal de hierro. "Sal de hierro" se refiere a un compuesto que
comprende un átomo de hierro en un estado de oxidación diferente de
cero. La sal de hierro usada con los procedimientos de la presente
invención puede producirse in situ, es decir, oxidando
hierro elemental química o electroquímicamente antes de su
introducción en la cámara de mezclado o desarrollando la oxidación
dentro de la cámara de mezclado. El átomo de hierro en la sal de
hierro tendrá un estado de oxidación superior a cero,
preferentemente +2 o +3, aunque este estado de oxidación puede
alcanzarse transitoriamente a medida que el átomo de hierro se
convierta de su estado de oxidación de inicio al estado de
oxidación final de +4 o superior.
En ciertas formas de realización, la sal de
hierro puede seleccionarse de entre el grupo constituido por nitrato
férrico, nitrato ferroso, cloruro férrico, cloruro ferroso, bromuro
férrico, bromuro ferroso, sulfato férrico, sulfato ferroso, fosfato
férrico, fosfato ferroso, hidróxido férrico, hidróxido ferroso,
óxido férrico, óxido ferroso, carbonato de hidrógeno férrico,
carbonato de hidrógeno ferroso, carbonato férrico y carbonato
ferroso o una combinación de los mismos. Todas las formas
diferentes de óxido férrico y ferroso están contempladas para ser
usadas con los procedimientos de la presente invención.
En algunas formas de realización de la presente
invención, el ferrato se produce por oxidación química de la sal de
hierro. La oxidación química se lleva a cabo mezclando un agente
oxidante, o una solución que contiene un agente oxidante, con la
sal de hierro, o con la solución que contiene la sal de hierro. En
algunas formas de realización, el agente oxidante, o una solución
que contiene el agente oxidante, se añade a la sal de hierro, o a
la solución que contiene la sal de hierro, mientras que en otras
formas de realización, la sal de hierro, o la solución que contiene
la sal de hierro, se añade al agente oxidante, o a una solución que
contiene el agente oxidante. Un "agente oxidante", es un
compuesto químico que oxida a otro compuesto y que se reduce a sí
mismo. En ciertas formas de realización, el agente oxidante
comprende por lo menos uno de los siguientes: un ión de hipohalita,
un ión de halita, un ión de halato, un ión de perhalato, ozono,
oxono, halógeno, un peróxido, un superóxido, un perácido, una sal
de un perácido y un ácido de Caro, o una combinación de los
mismos.
Unas formas de realización de la invención
incluyen aquéllas en las que el agente oxidante comprende un ión de
hipohalita seleccionado de entre el grupo constituido por el ión de
hipoclorito, el ión de hipobromito y el ión de hipoiodito. En otras
formas de realización de la invención, el agente oxidante comprende
un ión de halito seleccionado de entre el grupo constituido por el
ión de clorito, el ión de bromito y el ión de iodito. En otras
formas de realización de la invención, el agente oxidante comprende
un ión de halato seleccionado de entre el grupo constituido por el
ión de clorato, el ión de bromato y el ión de iodato. Ciertas otras
formas de realización de la invención incluyen aquéllas en las que
el agente oxidante comprende un ión perhalato seleccionado de entre
el grupo constituido por el ión de perclorato, el ión de perbromato
y el ión de periodato.
De esta forma, en una forma de realización de la
presente invención, una solución acuosa de una sal de hierro y un
agente oxidante se mezcla en una cámara de mezclado. Se puede añadir
también a la cámara de mezclado una base, o una combinación de
bases en este momento. La solución se mezcla en la cámara de
mezclado por un cierto período de tiempo, que puede oscilar de
segundos a horas dependiendo de las condiciones del mezclado, por
ejemplo, la temperatura o la concentración de los ingredientes. Los
expertos en la materia reconocerán que en esta etapa se inicia la
producción de ferrato.
A medida que está teniendo lugar el mezclado, al
menos una parte de la solución acuosa es introducida en una cámara
de reacción. La solución acuosa se mantiene en la cámara de reacción
durante un cierto período de tiempo hasta que la concentración de
ferrato en la solución alcance un nivel predeterminado. La
concentración de ferrato para uso es determinada en base a la
necesidad del ferrato y las condiciones para la síntesis o uso.
Ciertas aplicaciones pueden requerir mayores producciones de ferrato
que otras. Por tanto, el tiempo que la solución acuosa permanece en
la cámara de reacción puede oscilar desde segundos hasta horas. La
cámara de reacción puede usarse también como un "tanque de
retención" es decir, un lugar para conservar el ferrato generado
a una cierta temperatura para ser usado en un tiempo posterior. El
tanque de retención puede estar a temperatura ambiente, o a una
temperatura que sea mayor o menor que la temperatura ambiente. La
solución que contiene al ferrato es entonces retirada de la cámara
de reacción y se entrega en el sitio de uso. El sitio de uso está
"próximo" a la cámara de reacción.
En ciertas formas de realización, cuando la
solución se retira de la cámara de mezclado hacia la cámara de
reacción, se añade una solución acuosa adicional, que comprende la
sal de hierro y el agente oxidante, a la cámara de mezclado después
de que toda la mezcla dentro de la cámara de mezclado ha sido
transferida a la cámara de reacción. Se contempla en algunas formas
de realización de la presente invención que el flujo de la solución
acuosa desde la cámara de mezclado hasta la cámara de reacción sea
continuo. Por tanto, mientras se necesite ferrato, se añaden nuevas
partidas de la solución acuosa a la cámara de mezclado.
En algunas formas de realización de la presente
invención, además de la sal de hierro se añade un óxido metálico a
la mezcla. El óxido metálico se puede añadir en cualquier punto
durante la producción de ferrato, sea como un ingrediente original,
en la cámara de mezclado o en la cámara de reacción, o en cualquier
punto a lo largo de la trayectoria. El óxido metálico puede ser
añadido también a una mezcla que comprende ferrato subsecuente a la
producción de ferrato, cuando el ferrato está poniéndose en
contacto, o después de que el ferrato ha entrado en contacto, con
el objeto que se va a sintetizar, limpiar, desinfectar, oxidar o
coagular. El átomo de metal del óxido metálico puede ser un metal
de un grupo principal, metal de transición o un metal del bloque f.
Un "metal de transición" es un metal dentro de las columnas 3 a
12 de la tabla periódica, esto es, metales en las triadas de
escandio, titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto,
níquel, cobre y zinc. Un "metal del bloque f" es un metal de
las series de lantánidos o actínidos, esto es, metales con números
atómicos 57 a 71 y 89 a 103. Así, el lantano y el actinio son ambos
metales de transición del bloque f. El óxido metálico puede ser
óxido de escandio, óxido de titanio, óxido de vanadio, óxido de
manganeso, óxido de cobalto, óxido de níquel, óxido de cobre, óxido
de zinc, óxido de galio, óxido de itrio, óxido de circonio, óxido de
niobio, óxido de molibdeno, óxido de rutenio, óxido de rodio, óxido
de paladio, óxido de plata, óxido de cadmio, óxido de indio, óxido
de estaño, óxido de hafnio, óxido de tantalio, óxido de tungsteno,
óxido de renio, óxido de osmio, óxido de iridio, óxido de platino o
cualquier sal que contenga los óxidos de estos metales.
En ciertas formas de realización, la solución
que comprende ferrato es irradiada con luz antes o durante el uso.
En otras formas de realización, la solución que comprende ferrato se
mantiene en la oscuridad antes de usarse. Cuando la solución se
irradia con luz, la luz puede ser una luz de cualquier frecuencia
dentro del espectro electromagnético, esto es, en cualquier punto
entre ondas de radio y rayos X y radiación gama, incluyendo luz
ultravioleta, luz visible o luz infrarroja.
En ciertas formas de realización, el ferrato
generado con el procedimiento anterior en la cámara de mezclado se
entrega en el sitio de uso sin ser introducido en una cámara de
reacción separada. Por lo tanto, la cámara de mezclado y la cámara
de reacción son la misma. En ciertas otras formas de realización,
después del mezclado en la cámara de mezclado, la solución de
ferrato se introduce en un tanque de retención donde se mantiene
hasta que su uso es necesario. En cualquier caso, la solución de
ferrato se mantiene por un período de tiempo que es menor o igual a
la mitad de vida del ferrato en la solución bajo las condiciones
(esto es, temperatura, concentración, pH, etc.) en que se
mantiene.
En otro aspecto, la invención se refiere a un
procedimiento para sintetizar en continuo solución de ferrato
acuosa, que comprende proporcionar una solución acuosa que comprende
una sal de hierro en una cámara de mezclado, en el que la cámara de
mezclado comprende por lo menos dos electrodos; proporcionar
suficiente corriente eléctrica a los electrodos para convertir al
menos una parte de la sal de hierro en ferrato; entregar en continuo
al menos una parte de la solución de ferrato acuosa a un sitio de
uso que este próximo a la cámara de reacción; y añadir solución
acuosa adicional a la cámara de mezclado para reponer
sustancialmente la parte de la solución acuosa introducida en la
cámara de reacción.
Por "entregar en continuo" se entiende que
una vez que el ferrato empieza a entregarse al sitio de uso,
continúa siento entregado al sitio de uso durante el tiempo en que
el procedimiento se este llevando a cabo.
En ciertas formas de realización de la
invención, una base se añade a la solución acuosa, mientras que en
otras formas de realización, se añade un ácido.
La cámara de mezclado comprende dos electrodos.
Los electrodos están diseñados para conducir electricidad a través
de la solución acuosa, mediante lo cual se convierte el hierro de la
sal de hierro en ferrato en una reacción electroquímica. El hierro
de la sal de hierro puede haber sido añadido a la solución como una
sal de hierro o puede ser el electrodo de hierro disuelto, el cual
llegaría a disolverse al introducirse la electricidad. Se contempla
que a medida que se retira la solución que contiene ferrato de la
cámara de mezclado, se añada solución acuosa adicional a la cámara
de mezclado para reacciones adicionales. En ciertas formas de
realización, el flujo de materiales de la cámara de mezclado a la
cámara de reacción es continuo.
En una forma de realización, se pueden añadir
partículas de sulfato férrico a un mezclador estático y mezclarse
en un medio acuoso. El mezclador estático incluye un mecanismo de
mezclado que es capaz de producir micropartículas. Los mezcladores
estáticos pueden ser dispositivos de mezclado radial continuo,
caracterizados por flujo de tapón o cualquier otro mezclador
convencional. Se prefieren mezcladores estáticos que tengan tiempos
de residencia cortos y poco mezclado de retorno. Así, la
dosificación adecuada de componentes de alimentación sin ninguna
fluctuación de tiempo, es un prerrequisito para unas buenas
prestaciones.
Otra característica deseable de los mezcladores
estáticos es que no tengan partes móviles para el mezclado. La
falta de partes móviles y la confianza en el área y conformación
superficial para movimiento reactivo/producto reduce la necesidad
de refrigerante para enfriar la reacción. Así, los mezcladores
estáticos son piezas de equipo de comparativamente bajo
mantenimiento. Los mezcladores estáticos usados en los procesos de
la presente invención pueden incorporarse dentro de reactores de
circulación alrededor de la bomba o en reactores tipo cascada, tal
como los fabricados por Koch, es decir, el Koch-SMVP
packing /Rog 92/. Otros mezcladores estáticos incluyen mezcladores
Koch tipo SMF, SMXL-R, SMXL, SMX y SMV.
Para otras formas de realización, se usa un
microrreactor para mezclar reactivos. Microreactores y mezcladores
estáticos se pueden utilizar para producir ferrato en un proceso
continuo o un proceso semicontinuo.
El mecanismo de mezclado puede ser una
trayectoria tortuosa, un dispositivo de mezclado o un aspirador. El
oxono o el ácido de Caro u otro oxidante fuerte en recipiente se
añade al mezclador estático. El término "oxono" tal como se
utiliza en la presente memoria se refiere a peroximonopersulfato de
potasio o monopersulfato de potasio. La reacción se inicia
instantáneamente y genera calor. La temperatura de la reacción se
ajusta a través del uso de una bobina de enfriamiento o una camisa
de enfriamiento a una temperatura de aproximadamente -10ºC. La
temperatura se controla a través de un mecanismo de control de
realimentación hacia delante y hacia atrás. Se emplea agua como un
medio de transporte para transportar el sulfato férrico y productos
oxidantes y de reacción. El volumen del agua se reduce al mínimo,
hasta un volumen que maximiza el rendimiento en la producción de
ferrato.
Se puede añadir una cantidad de KOH seco, que
sea efectiva para llevar al máximo la producción de ferrato. El KOH
se añade a otro micromezclador o a un mezclador estático. El KOH se
añade a un reactor principal. El KOH se enfría a aproximadamente
-10ºC antes de ser introducido en el reactor principal. El reactor
principal es también un mezclador estático.
Un exceso de KOH evita la conversión de
Fe(III) en ferrato. El uso de mezcladores estáticos maximiza
el área superficial disponible para la reacción de todos los
reactivos. Se cree que el uso de un mezclador estático o un
micromezclador acelera el proceso de reacción.
Se puede utilizar ácido de Caro porque ayuda a
estabilizar ferrato debido a que el sulfato del ácido de Caro
"regula" el ferrato. Sin embargo, se entiende que si el
mezclador estático está colocado próximo al agua o aguas residuales
que van a ser tratadas, la estabilización del sulfato es opcional y
se puede producir una oxidación de Fe(0) con otro oxidante,
tal como cloro o peróxido.
\newpage
La temperatura en el reactor se mantiene
preferentemente aproximadamente a 40ºC en el reactor, pero puede
ser tan baja como 20ºC o tal alta como 60ºC. A medida que los
productos se retiran del reactor, la temperatura en la corriente de
productos se incrementa gradualmente hasta la temperatura
ambiente.
Un uso de un mezclador estático permite un
procedimiento de tratamiento de agua que incluye chocar una fracción
de hierro con un oxidante, templar la reacción con KOH e inyectar
el ferrato dentro de una corriente de agua, aguas residuales o
lodo. El uso de un mezclador estático da una reacción química
compleja que puede ser desarrollada por operadores de plantas de
tratamiento de agua y de residuos. Debido a la microparticulación de
especies de hierro y al mezclado muy rápido, las preocupaciones
convencionales acerca del control de temperaturas son
sustancialmente eliminadas.
En otra forma de realización, los reactivos
descritos anteriormente se añaden a un reactor enfriado a una
temperatura de 20ºC. Después de aproximadamente 180 minutos, los
productos de reacción son tratados con KOH para solubilizar
cualquier ferrato precipitado y la mezcla total se transfiere al
agua, aguas residuales o lodos para tratamiento. Para una forma de
realización, el efluente del reactor incluye sulfato férrico sin
reaccionar, oxono sin reaccionar, sulfato de potasio, KOH y
aproximadamente 20% de ferrato disuelto. La presencia de iones
férricos y de KOH retardan la velocidad de descomposición con agua a
medida que la corriente de producto está siendo mezclada con agua
no tratada.
La solución que contiene el ferrato puede ser
refinada, si se requiere.
En otra forma de realización, el ferrato se
produce mediante el procedimiento de la presente invención como
resultado de una reacción directa de peróxidos alcalinos, como
peróxido de sodio, peróxido de potasio, superóxido de potasio con
hematite para producir ferrato de potasio o de sodio. Se cree que la
reacción se lleva a cabo por las siguientes reacciones
químicas:
La temperatura de reacción para este
procedimiento sintético es aproximadamente de 400 a 600ºC durante un
tiempo de aproximadamente 12 horas. Se cree que la reacción química
tiene lugar a través de un contacto de sólido a sólido, un contacto
de líquido a sólido, o un contacto de vapor a sólido. El líquido es
una sal fundida. El vapor es un material tal como vapor de
K_{2}O_{2}.
Los reactivos deberán estar secos, ser de tamaño
de partícula fina y estar bien mezclados. El mezclado deberá evitar
el contacto con el aire, ya que la humedad y el CO_{2}
reaccionarán con peróxido. Los reactivos deberán mantenerse de 120
a 150ºC con un TGA en nitrógeno seco para retirar completamente
cualquier agua adsorbida antes del calentamiento a la temperatura
de reacción del TGA.
Cuando se disuelven peróxido/superóxido con
hematite, se produce ferrato disuelto en una solución de sal. Al
enfriarse, los iones de ferratos disueltos se precipitan de la sal
como cristales de K_{2}FeO_{4}. Una ruta de temperatura alta
produce K_{2}FeO_{4}, pero con rendimientos modestos y con un
requerimiento de una etapa de proceso subsecuente para separar el
K_{2}FeO_{4} de la mezcla de sal. En otra forma de realización,
la mezcla de sal no se separa y la mezcla total se usa para el
tratamiento de agua o de aguas residuales. Una ventaja es que un
proceso simple que involucra un solo reactor de alta temperatura se
traduce en un coste de producción más bajo.
Otra opción es un proceso de dos etapas. Una
fuente de peróxido/superóxido económica es procesada en un primer
reactor para producir una corriente de gas que contiene especies de
peróxido-superóxido. La corriente de gas se
canaliza hacia un segundo reactor que contiene hematite, en el que
se lleva a cabo una reacción directa para producir ferrato. Las
temperaturas de reactores A y B se establecen por separado para
optimizar procesos respectivos. Con este proceso, la temperatura
del primer reactor es de aproximadamente 1000ºC y la temperatura
del segundo reactor es de 400 a 500ºC. La reacción de peróxido puede
desarrollarse en un mezclador estático como se ha descrito para una
reacción de hierro y ácido de Caro.
Mientras que oxidantes de oxono, ácido de Caro,
peróxido/superóxido, cloro e hipoclorito se describen en la
presente memoria, se entenderá que otros oxidantes pueden ser
apropiados para ser usados. Algunos de estos oxidantes se describen
en un artículo sobre oxidantes de ferrato en Grazzino
Italiano por Losanna. Se cree que también se pueden usar
enzimas en formas de realización de procesos de ferrato de la
presente invención para reducir la temperatura de reacción.
En otro aspecto, la presente invención se
refiere a un dispositivo para sintetizar en continuo solución de
ferrato acuosa para entregar en un sitio de uso, que comprende una
primera cámara de retención; una segunda cámara de retención; una
cámara de mezclado de forma controlada conectada con la primera
cámara de retención y con la segunda cámara de retención, en la
cual se añaden un contenido de la primera cámara de retención y un
contenido de la segunda cámara de retención para formar una primera
mezcla. Una cámara de reacción conectada de forma controlada a la
cámara de mezclado, estando la cámara de reacción adaptada para
recibir la primera mezcla y mantener dicha primera mezcla por un
período de tiempo; una solución de ferrato acuosa en la cámara de
reacción; y una abertura de salida en la cámara de reacción a través
de la cual la mezcla de ferrato se adapta para ser transportada al
sitio de uso, estando el sitio de uso próximo a la cámara de
reacción, sin cristalización ni almacenado adicional.
En algunas formas de realización, la cámara de
mezclado comprende además un agitador mecánico.
En otras formas de realización, la cámara de
mezclado comprende un tubo configurado para mezclar la mezcla a
medida que pasa a través del tubo.
Ciertas formas de realización de la invención se
refieren a un dispositivo en el que la cámara de mezclado comprende
además un dispositivo de control de temperatura. Este dispositivo de
control puede incluir una camisa alrededor de la cámara de mezclado
por donde se pasa un fluido enfriado o calentado a través de la
camisa a fin de mantener la temperatura del espacio intralumínico a
un cierto nivel predeterminado.
Otras formas de realización de la invención
comprenden además una bomba corriente abajo de la primera y segunda
cámaras de retención y corriente arriba de la cámara de mezclado. La
bomba controla el flujo de materiales hacia la cámara de
mezclado.
Algunas formas de realización de la invención
comprenden además una bomba corriente abajo de la cámara de
mezclado y corriente arriba de la cámara de reacción. Esta bomba
controla el flujo de material fuera de la cámara de mezclado y
hacia la cámara de reacción.
En algunas de las formas de realización de la
invención, la cámara de reacción comprende un tubo dispuesto entre
la cámara de mezclado y la abertura de salida.
En otro aspecto, la invención se refiere a un
sistema para sintetizar en continuo ferrato, que comprende una
primera cámara de retención que contiene una sal de hierro; una
segunda cámara de retención que contiene un agente oxidante; una
cámara de mezclado de forma controlada conectada a la primera cámara
de retención y a la segunda cámara de retención, y en la cual se
añaden la sal de hierro y el agente oxidante de forma controlada
para formar una mezcla; una cámara de reacción conectada de forma
controlada a la cámara de mezclado, dentro de la cual se conserva
la solución de ferrato acuosa durante un período de tiempo y en la
cual el ferrato es sintetizado, y una abertura de salida en la
cámara de reacción a través de cual la solución de ferrato acuosa
puede ser transportada hasta un sitio de uso
próximo.
próximo.
En algunas formas de realización, una base, como
se describe en la presente memoria, se añade a la mezcla. La sal de
hierro, el agente de oxidación, la cámara de mezclado y la cámara de
reacción son como se describen en la presente memoria.
En ciertas formas de realización, el dispositivo
de la invención comprende además una bomba corriente abajo de la
primera y segunda cámaras de retención y corriente arriba de la
cámara de mezclado. En otras formas de realización, el dispositivo
comprende además una bomba corriente abajo de la cámara de mezclado
y corriente arriba de la cámara de reacción.
La figura 1 muestra una forma de realización del
dispositivo para producción en estado de solución. La figura
muestra dos cámaras de retención 101. Otras formas de realización de
la invención pueden presentar unas cámaras de retención
adicionales, dependiendo del número de ingredientes añadidos
inicialmente. Algunas formas de realización de la invención pueden
comprender solo una cámara de retención 101. Las cámaras de
retención están conectadas a la cámara de mezclado 103. En algunas
formas de realización, el flujo de material entre las cámaras de
retención 101 y la cámara de mezclado 103 puede ser controlado. El
flujo se controla por la presencia de una bomba o una válvula 107
después de cada cámara de retención 101, o por la presencia de una
bomba o una válvula 109 antes de la cámara de mezclado 103, o por
una combinación de las mismas. En ciertas formas de realización no
existe bomba o válvula alguna entre la cámara de retención 101 y la
cámara de mezclado 103.
La cámara de mezclado 103 está conectada a la
cámara de reacción 105. En algunas formas de realización, el flujo
de material entre la cámara de mezclado 103 y la cámara de reacción
105 puede ser controlado. El flujo puede ser controlado por la
presencia de una bomba o una válvula 111 después de la cámara de
mezclado 103. En ciertas formas de realización, no existe ninguna
bomba o válvula entre la cámara de mezclado 103 y la cámara de
reacción 105.
La cámara de reacción 105 está conectada con una
abertura de salida 115 a través de la cual el producto de la
reacción se transfiere al sitio de uso. El flujo de la cámara de
reacción 105 a la abertura de salida 115 puede ser controlado. El
control puede ser a través del uso de una bomba o una válvula 113.
En ciertas formas de realización, no existe ninguna bomba o válvula
entre la cámara de reacción 105 y la abertura de salida 115.
Como se ilustra en la figura 1A en ciertas
formas de realización, las cámaras de retención 101 se conectan a
la cámara de mezclado a través de una tubería sencilla, esto es, una
unión en T antes de la cámara de mezclado 103. Sin embargo, como se
ilustra en la figura 1B, en otras formas de realización cada cámara
de retención 101 está conectada por separado a la cámara de
mezclado 103.
En algunas formas de realización, el dispositivo
de la presente invención también comprende una unidad de control de
temperatura. La unidad de control de temperatura controla la
temperatura de las cámaras de retención 101, la cámara de mezclado
103, la cámara de reacción 5, o una combinación de las mismas, o la
temperatura del dispositivo completo. Estos componentes pueden
mantenerse a temperatura ambiente, dependiendo de las condiciones
de reacción y las necesidades del uso particular contemplado. En
algunas formas de realización, diferentes partes del dispositivo se
mantienen a temperaturas diferentes, requiriendo de esta manera más
de una unidad de control de temperatura para el dispositivo.
En ciertas formas de realización, la cámara de
mezclado puede ser solo una tubería o una manguera que conecta las
cámaras de retención 101 con la cámara de reacción 105. En Algunas
formas de realización, la cámara de reacción 105 puede ser solo una
tubería o una manguera que conecta la cámara de mezclado 103 con la
abertura de salida 115. Por tanto, en una forma de realización de
la invención, el dispositivo completo consistirá en una tubería o
una manguera que conecta las cámaras de retención 101 con la
abertura de salida 115.
En otro aspecto, la invención se refiere a un
dispositivo para sintetizar en continuo una solución de ferrato
acuosa, que comprende una cámara de mezclado que presenta por lo
menos dos electrodos y una solución de una sal de hierro, en el que
los electrodos proporcionan suficiente corriente eléctrica para
convertir la solución de una sal de hierro en una solución de
ferrato; una cámara de reacción conectada con la cámara de mezclado,
dentro de la cual se mantiene la solución de ferrato por un período
de tiempo; y una abertura de salida en la cámara de reacción a
través de la cual la mezcla se adapta para ser transportada hasta un
sitio de uso, estando dicho sitio próximo a la cámara de
reacción.
En algunas formas de realización, la cámara de
mezclado comprende además un agitador mecánico.
En otras formas de realización, la cámara de
mezclado comprende un tubo configurado para mezclar la mezcla a
medida que pasa a través del tubo.
En Algunas formas de realización, la cámara de
mezclado comprende además un dispositivo de control de
temperatura.
Algunas formas de realización de la invención
comprenden además una bomba corriente abajo de la cámara de
mezclado y corriente arriba de la cámara de reacción. Esta bomba
controla el flujo de material fuera de la cámara de mezclado y
hacia la cámara de reacción.
En algunas de las formas de realización de la
invención la cámara de reacción comprende un tubo dispuesto entre
la cámara de mezclado y la abertura de salida.
Una forma de realización del dispositivo de la
presente invención se ilustra en la figura 3. La figura muestra una
cámara de retención 301. Otras formas de realización de la invención
pueden presentar unas cámaras de retención adicionales, dependiendo
del número de ingredientes añadidos inicialmente. Algunas formas de
realización de la invención pueden presentar dos o más cámaras de
retención 301. La cámara de retención se conecta con la cámara de
reacción 303. En algunas formas de realización, el flujo de material
entre la cámara de retención 301 y la cámara de reacción 303 puede
ser controlado por la presencia de una bomba o una válvula 307
después de la cámara de retención 301. Si hay más de una cámara de
retención 301, entonces el flujo puede ser controlado ya sea por la
presencia de una bomba o una válvula 307 después de cada cámara de
retención 301 o por la presencia de una bomba o una válvula antes
de la cámara de reacción 303 o por una combinación de las mismas. En
ciertas formas de realización, no existe una bomba o válvula entre
la cámara de retención 301 y la cámara de reacción 303.
La cámara de reacción 303 comprende por lo menos
dos electrodos 321. Los electrodos están conectados a través de
unos alambres 319 a una fuente de energía o potencia 317. La fuente
de energía 317 puede ser una fuente de energía de corriente alterna
CA o de corriente continua CC. Los electrodos 321 y la energía
generada por la fuente de energía 317 son tales que permiten oxidar
electroquímicamente hierro, en cualquier estado de oxidación por
debajo de +4, en ferrato. En algunas formas de realización, uno de
los electrodos es un electrodo de hierro, que sirve tanto como un
electrodo y como una fuente de hierro para la producción de ferrato.
Si el electrodo es un electrodo de hierro, podría existir o no la
necesidad de disponer de una cámara de retención 301 en el
dispositivo. Un "electrodo de hierro" incluye cualquier
material eléctricamente conductor que comprenda hierro.
La cámara de reacción 303 está conectada con una
abertura de salida 315, a través de la cual el producto de la
reacción se transfiere hasta el sitio de uso. El flujo de la cámara
de reacción 303 hacia la abertura de salida 315 puede ser
controlado. El control puede ser a través del uso de una bomba o una
válvula 313. En ciertas formas de realización, no existe ninguna
bomba o válvula entre la cámara de reacción 303 y la abertura de
salida 315.
En ciertas formas de realización, una segunda
cámara de retención 305 está dispuesta entre la cámara de reacción
303 y la abertura de salida 315. La segunda cámara de retención
puede servir como un lugar de almacenamiento para el ferrato
generado entre el tiempo de su generación y el tiempo de su uso. El
flujo entre la cámara de reacción 303 y la segunda cámara de
retención 305 puede ser controlado a través del uso de una bomba o
una válvula 311.
En algunas formas de realización, el dispositivo
de la presente invención presenta también una unidad de control de
temperatura. La unidad de control de temperatura controla la
temperatura de las cámaras de retención 301, la cámara de reacción
303, la segunda cámara de retención 305 o una combinación de las
mismas o la temperatura del dispositivo completo. Estos componentes
pueden mantenerse a temperatura ambiente, a una temperatura superior
a la temperatura ambiente o a una temperatura inferior a la
temperatura ambiente, dependiendo de las condiciones de reacción y
las necesidades del uso particular contemplado.
El ferrato producido mediante los procedimientos
de la presente invención puede usarse sin purificación sustancial.
"Purificación sustancial" significa una etapa de purificación
que lleva la pureza del ferrato en la solución a más de 99%, es
decir, una solución de ferrato sustancialmente pura es una solución
en la que más del 99% de los solutos comprenden ferrato y su
contraión.
Sin embargo, la solución de ferrato generado por
los procedimientos de la presente invención puede ser algo
purificada o sufrir una etapa de separación. Por ejemplo, la
solución de ferrato puede ser filtrada para retirar sólidos no
disueltos. La filtración puede ser filtración física, en la que
partículas que son demasiado grandes para pasar a través de los
poros del filtro son eliminadas, o filtración superficial, en la que
las partículas son capturadas en la superficie de granos de filtro,
o una combinación de uno o más procesos de filtración.
El ferrato también puede purificarse usando
purificación por intercambio de iones. En este proceso, los iones
de ferrato son ligados reversiblemente a un material en estado
sólido, la columna es purgada de impurezas no deseadas y entonces
el ferrato es liberado de la columna. El material en estado sólido
de la columna de intercambio de iones puede ser cualquiera de los
materiales en estado sólido actualmente utilizados o que se diseñen
posteriormente para este propósito, e incluyen sin limitación,
arcillas, ceolitas, fosfonatos, titanatos, sales heteropoliácidas,
hidróxidos de doble capa, resinas inorgánicas, resinas orgánicas, e
intercambiadores tipo gel (por ejemplo, como pequeñas gotas en
varios tamaños de malla), e intercambiadores inorgánicos a base de
carbón. Adicionalmente, pueden incorporarse resinas inorgánicas en
resinas orgánicas para hacer intercambiadores compuestos para
purificar
ferrato.
ferrato.
Las membranas usadas para purificación de
ferrato pueden estar realizadas en materiales tales como materiales
poliméricos orgánicos. Los materiales de membrana pueden ser
celulosa o poliamida (por ejemplo membranas TFC de poliamida
completamente aromática). Otras membranas incluyen, aunque no se
limitan a, membranas de microfiltración, ultrafiltración y
nanofiltración inorgánica. Estas membranas están realizadas
generalmente en vidrio, cerámica o carbón.
El ferrato puede ser también purificado en una
técnica de campo eléctrico directo, durante la cual un campo
eléctrico de corriente directa se aplica a través de un par de
electrodos. Los iones de ferrato en la fase líquida se mueven bajo
la acción del campo hasta una posición deseada donde pueden ser
bombeados hacia fuera para ser usados. El transporte de ferrato
bajo la acción de un campo eléctrico puede ser electromigración,
electroósmosis o electroforesis.
La solución de ferrato producida mediante los
procedimientos de la presente invención puede también almacenarse
en un tanque de sedimentación por un período de tiempo y después el
sobrenadante decantado o bombeado. La solución de ferrato puede
pasar también a través de un centrífugo donde se hace girar la
solución de manera que las partículas más pesadas en la solución
descienden hacia el fondo y el sobrenadante, que comprende ferrato
purificado, se retira para su uso posterior.
En otras formas de realización, el ferrato
producido mediante los procedimientos de la presente invención se
encapsula en una membrana para uso futuro. La membrana puede ser
tamices moleculares, arcilla, porcelana, u otro material poroso que
no sea susceptible de oxidación con ferrato. A continuación, para
usar el ferrato, por lo menos una porción de la membrana se pone en
contacto con la mezcla acuosa o gaseosa que se va a tratar.
La membrana también puede ser ligeramente
soluble en agua de manera que cuando porciones de ella sean
disueltas, más ferrato quede expuesto a la mezcla acuosa que se va
a tratar. En esta forma de realización, el uso de ferrato puede ser
de una manera de liberación temporal, siendo definido el tiempo de
liberación por la solubilidad de las capas de la membrana.
Los dispositivos descritos en la presente
memoria pueden presentar asimismo un componente de purificación que
purifica ferrato consistente con los procedimientos de purificación
descritos en la presente memoria.
El ferrato preparado según el procedimiento de
la invención se puede utilizar en un procedimiento de tratamiento,
en un sitio de uso, de una mezcla acuosa que tiene una o más
impurezas, que comprende generar en continuo ferrato en una cámara
de reacción localizada próxima al sitio de uso; poner en contacto el
ferrato con la mezcla acuosa en el sitio de uso, por medio de lo
cual se oxida al menos una porción de la impureza.
En ciertas formas de realización, la impureza se
selecciona de entre el grupo constituido por una impureza
biológica, una impureza orgánica, una impureza inorgánica, una
impureza que contiene azufre, una impureza que contiene nitrógeno,
una impureza metálica y una impureza radiactiva, o una combinación
de las mismas. Otras impurezas son tal como se describen en la
presente memoria.
Una "impureza" se define como cualquier
componente de una solución o un sistema, cuya presencia dentro de
esa solución o sistema es repugnante para el uso contemplado de esa
solución o sistema. Impurezas biológicas son las que tienen un
origen biológico. Así, cualquier célula, bacteria, virus, tejido,
etc., o componentes de los mismos, sean de plantas o animales, se
consideran como impurezas biológicas. Impurezas orgánicas son
compuestos químicos que contienen por lo menos un átomo de carbón.
Impurezas inorgánicas son compuestos químicos que no contienen
átomos de carbón. Una impureza que contiene azufre es una que
contiene por lo menos un átomo de azufre. Una impureza que contiene
nitrógeno es una que contiene por lo menos un átomo de nitrógeno.
Una impureza metálica es la que contiene por lo menos un átomo de
metal, sea metal del grupo principal, metal de transición o metal
de bloque f. Una impureza radiactiva es una que experimenta
desintegración radiactiva, sea emitiendo partículas \alpha,
\beta, \gamma. Los expertos en la materia reconocerán que una
impureza particular puede estar comprendida en más una categoría
listada anteriormente. Por ejemplo, la impureza EDTA de calcio en
agua es una impureza orgánica, una impureza que contiene nitrógeno y
una impureza que contiene metal.
El ferrato destinado a ser utilizado en el
procedimiento de tratamiento se produce mediante uno de los
procedimientos planteados en la presente memoria, es decir, la
producción química o la producción electroquímica.
El ferrato producido con los procedimientos
anteriores se pone en contacto con la mezcla acuosa que se va a
tratar. En algunas formas de realización, la etapa de puesta en
contacto consiste en añadir el ferrato a una corriente de la mezcla
acuosa. En otras formas de realización, la etapa de puesta en
contacto consiste en poner en contacto el ferrato con una parte de
la mezcla acuosa. En otras formas de realización, la etapa de
puesta en contacto comprende poner en contacto una corriente de la
mezcla acuosa con un recipiente estacionario que contiene al
ferrato.
Generalmente, el ferrato producido mediante el
procedimiento de la presente invención puede usarse en conexión con
cualquier proceso conocido y para cualquier propósito conocido. El
ferrato producido por el proceso de la presente invención es
especialmente útil como oxidante, floculante y/o coagulante. En
particular, usos potenciales del ferrato producido por el proceso
de la presente invención incluyen los siguientes: eliminación de
color de baños electrolíticos industriales; producción de
catalizadores para el proceso Fischer-Tropsch para
producir hidrocarburos reducidos a partir de monóxido de carbono e
hidrógeno; purificación de hemicelulosa; oxidación selectiva de
alquenos, cadenas secundarias de alquilo, compuestos orgánicos de
azufre, tioles, ácidos sulfínicos, compuestos de nitrógeno
orgánico, ácidos carboxílicos, haluros, alcoholes y aldehídos y en
acoplamiento oxidativo; como un oxidante general para tratamiento
de agua, aguas residuales y aguas fecales; desinfección como un
biocida o virocida; inactivador de fosforilasa; aditivo para pintura
anticorrosiva; desnitratación de gas de chimenea; electrodos para
baterías; destoxificación de cianuro y tiocianido de aguas
residuales; medición de demandas de oxígeno; filtros para
cigarrillos para eliminar HNC y moléculas cancerígenas; oxidante
para residuos peligrosos y otras soluciones residuales tal como de
las industrias de la pulpa; control de contaminación en la
eliminación de sulfuro de hidrógeno de corrientes de gas de baja
presión; eliminación de contaminantes con caracteres carcinógenos y
mutagénicos tal como naftaleno, nitrobenceno, diclorobenceno y
tricloroetileno de aguas residuales y agua potable sin coproducción
de productos dañinos; aditivo para cementos como endurecedor
estructural; desinfectante para inactivar E. coli, Salmonela,
Shigella y otras coliformes fecales como una etapa de
eliminación de células bacterianas; eliminación de estreptococos y
estafilococos; control de incrustaciones biológicas con oxidante no
corrosivo para eliminación de películas de babaza formadas de
microorganismos tal como en plantas de energía eléctrica y sistemas
de refrigeración de barcos; eliminación de bacterias, metales
pesados e inorgánicos en el agua potable en procesos de coagulación
por oxidación; eliminación de sulfuro de hidrógeno del gas ácido en
el proceso "Knox"; desleñificación de residuos agrícolas para
producir glucosa y etanol a partir de paja de trigo o maíz;
rellenador magnético de bario y ferrato de estroncio para plásticos
flexibles que tienen altos contenidos de aglutinante polimérico;
soporte o apoyo para otros agentes de oxidación tales como cromo
(VI) y KMnO_{4}; desnitrificación de horno de geicerita;
eliminación de impurezas de soluciones alimentadas a plantas de
zinc; descontaminación de aguas residuales que contienen cianuro y
tiocianido; destrucción oxidativa de fenol, sulfito y tiosulfato;
como un catalizador en la quema de carbón para eliminar impurezas
en la etapa de gasificación de vapor; componente de ruedas de
molido; agente de grabado en forma de fluido para películas
evaporadas; ferratos de metales térreos raros encapsulados en
cerámica para ser usados en electrónica donde se necesitan
propiedades ferromagnéticas. Éstas y otras aplicaciones se describen
en las patentes de Deininger US nº 5.202.108; nº 5.217.584 y
nº 5.370.857.
nº 5.370.857.
Unos usos adicionales del ferrato se describen a
continuación.
Como se ha indicado anteriormente, existe una
necesidad de desarrollo de oxidantes seguros, económicos y amigables
al medio ambiente, especialmente para aplicaciones en tratamiento
de agua y aguas residuales. El tratamiento de efluentes
industriales y municipales que contienen compuestos orgánicos e
inorgánicos peligrosos es una tarea de investigación importante.
Actualmente, existen varios procedimientos para la eliminación de
contaminantes, incluyendo adsorción, coagulación, biodegradación,
degradación química y fotodegradación. La degradación química es a
menudo el procedimiento económicamente más factible y más fácil para
el tratamiento de agua y usualmente involucra cloro, hipoclorito u
ozono. Aunque efectivos, estos oxidantes tienen con frecuencia
efectos secundarios nocivos. El cloro y el ozono son gases
venenosos y altamente corrosivos.
El hipoclorito se suministra generalmente como
un sólido o en una solución acuosa; sin embargo, se genera usando
gas de cloro y puede descomponerse rápidamente de nuevo en cloro al
calentarlo o con el mal manejo de químicos. Asimismo, aunque el
hipoclorito, OCl^{-}, se usa como una fuente de cloro para el
tratamiento de agua en operaciones más pequeñas, resulta caro.
Adicionalmente, el manejo de cloro o hipoclorito
representa un peligro potencial para los trabajadores debido a su
alta toxicidad. Una mayor desventaja del cloro y de oxidantes que
contienen cloro es que el exceso de cloro puede producir productos
de oxidación clorados (por ejemplo, cloraminas, aromáticos clorados,
aminas cloradas o hidrocarburos), muchos de los cuales son
mutagénicos o carcinógenos potenciales y pueden ser más tóxicos que
los contaminantes principales y/o más difíciles de eliminar. Debido
a que estos compuestos constituyen potencialmente un riesgo para la
salud pública, se necesita una opción distinta del uso de cloro.
El ferrato producido mediante los procedimientos
de la presente invención puede usarse en el tratamiento de aguas
residuales, lodos o aguas fecales. Es bien sabido en la técnica que
el ferrato reacciona con compuestos orgánicos o inorgánicos y
entidades biológicas, tales como células, bacterias, virus, etc. En
esta reacción, los sustratos se oxidan para inactivar
biológicamente productos. La propia molécula de ferrato se reduce a
Fe(III), que se precipita fuera de la solución como
Fe(OH)_{3} u otras sales de Fe(III). Las
sales que contienen hierro pueden ser filtradas fácilmente dejando
productos inocuos que contienen agua libre de hierro.
Escherichia coli, Salmonella, y
Shigella pertenecen todas a las enterobacterias. Estas
bacterias y otras conocidas para los expertos en la materia tienen
características fisiológicas similares, incluyendo organismos
facultativamente anaeróbicos, de gram negativo, en forma de varilla.
La E. coli ha sido usada durante mucho tiempo como un
indicador de contaminación fecal en sistemas de agua y hay un gran
volumen de literatura de desinfección disponible para este
organismo en particular. El ferrato es un agente biocida efectivo
en contra de cultivos de bacterias suspendidas en sistemas de
limpieza. El ferrato tiene la capacidad de inactivar rápidamente
varios patógenos conocidos en concentraciones moderadamente
bajas.
El ferrato es también un desinfectante efectivo
en contra de virus, tales como el virus F2. El ferrato ha sido
estudiado también por sus actividades antivirales y se ha encontrado
que es efectivo en la inactivación de virus (Kazama, Wat. Sci.
Tech. 31(5-6), 165-168
(1995)). El ferrato también coagula la turbidez en sistemas de agua
e inactiva la mayoría de patógenos entéricos a concentraciones de
ferrato que son razonables para ser usado en una instalación de
tratamiento de agua y de aguas residuales.
Las propiedades biocidas del ferrato también han
sido investigadas (Y. Yamamoto, Mizu Shori Gijutsu, Vol. 24, p, 929
(1983)). Una propiedad importante del ferrato hacia su aplicación
como un agente para tratamiento de agua es su capacidad para actuar
como un potente biocida. El ferrato ha sido usado para desinfección
en tratamiento de agua de río, así como también en procesos de
tratamiento de residuos fecales municipales; con su uso, la
eliminación de la bacteria coliforme depende del pH. Se ha
demostrado que es efectivo contra E. coli y
sphaerotilus (F. Kazama, J. Ferment. Bioeng., Vol. 67,p. 369
(1989)). El ferrato también ha sido usado para eliminar bacterias
coliformes de aguas de río y residuales tratadas (F. Kazama y K.
Kato, Hamanashi Daigaku Kogakuba Kenkyu Hokoku, Vol. 35, p.117
(1984)).
Además, el ferrato puede ser usado para oxidar
amoniaco en el efluente secundario de plantas de tratamiento de
agua. El producto de oxidación mayor es nitrógeno, en tanto que
algunos nitritos están también presentes en los productos. Estos
dos productos de oxidación son amigables al medio ambiente.
Las propiedades anteriores del ferrato pueden
ser explotadas en plantas de tratamiento de agua municipales o
industriales. Un dispositivo que produzca ferrato puede ser
instalado cerca de la instalación para tratamiento de aguas. Los
residuos de las líneas de alcantarillado municipales o líneas de
efluentes industriales se mezclan con ferrato producido
recientemente en el sitio. El dispositivo productor de ferrato puede
producir tanto ferrato como sea necesario para reaccionar con toda
la materia residual presente en el efluente.
En vista de que el ferrato es un desinfectante
eficiente, tiene potencial para ser usado en lugar de la cloración
extensiva de agua potable. A medida que la contaminación se
incrementa, existe la necesidad de un agente purificador de agua
que pueda ser utilizado por el individuo en forma segura en
cantidades "pequeñas" de agua potable así como también a nivel
de aguas residuales municipales e industriales. Dichos agentes de
purificación idealmente deberían ser capaces de desinfectar y
eliminar materiales en partículas suspendidas, metales pesados
(incluyendo radioisótopos) y algunas sustancias orgánicas a través
de floculación con el objeto de destruir al menos parcialmente
contaminantes orgánicos disueltos a través de la oxidación, y como
una etapa final, eliminarse de la solución. Un reactivo de
purificación de una etapa, que satisfaga estos criterios, es el
ferrato, FeO_{4}^{2-}. Este ión es capaz de competir
exitosamente con la técnica actual de floculación, cloración/sulfato
férrico, de dos etapas, evitando con ello la producción de
sustancias orgánicas halogenadas tóxicas o cancerígenas.
Puesto que el ferrato tiene propiedades
oxidantes-coagulantes, para múltiples propósitos, es
muy atractivo para el tratamiento de desperdicios producidos por
compañías químicas y farmacéuticas. Estas compañías gastan billones
de dólares al año en costes de limpieza por agua contaminada usada o
producida en sus procesos. Casi todos los desperdicios o residuos
producidos por estas compañías pueden ser oxidados en subproductos
relativamente menos dañinos con el ferrato, dejando el agua en
condiciones de ser liberada a los sistemas de alcantarillado
municipales y ser tratada sin ningún cuidado especial. De esta
forma, cualquier compañía que produzca aguas residuales
contaminadas con impurezas orgánicas, inorgánicas o biológicas puede
instalar un dispositivo para producir ferrato al final de su línea
de efluentes.
Los sistemas de alcantarillado municipales
sufren una carga especial. Ellos son sobrecargados con cualquier
materia residual o desperdicios imaginables, la mayoría de los
cuales son orgánicos o biológicos. Una vez que los grandes objetos
son filtrados, las instalaciones de alcantarillado deben tratar con
la materia residual soluble que queda detrás. Normalmente las
instalaciones de aguas residuales filtran las aguas residuales a
través de filtros de carbón activado u otros que tienen afinidad
para compuestos orgánicos o que tratan biológicamente las aguas
residuales. Estos procesos son lentos y muy costosos. La respuesta
lenta de estas instalaciones al flujo de ingreso de aguas
residuales con frecuencia origina un rebosamiento del alcantarillado
durante las tormentas. En comunidades costeras, esto da lugar al
derrame de desperdicios o residuos no tratados hacia el océano o
algún lago cercano, provocando un daño ambiental. Si bien los
oxidantes pueden ser fácilmente usados para eliminar rápidamente
residuos o desperdicios no deseados, los oxidantes disponibles
actualmente en el mercado o son de coste prohibitivo o producen
subproductos que a veces son más inseguros para el medio ambiente
que los mismos desperdicios.
Asimismo, existe una necesidad vital de nuevos
procedimientos para el control de H_{2}S en sistemas de
alcantarillado sanitarios municipales y plantas de tratamiento, y
en instalaciones de tratamiento de desperdicios industriales. Uno
de los mayores problemas en el tratamiento de aguas residuales es la
severa corrosión de las estructuras de las instalaciones que están
en contacto con el gas de sulfuro de hidrógeno, H_{2}S, o sus
productos de oxidación después de entrar en contacto con el aire.
Igualmente importantes son los riesgos para la salud por exposición
al gas H_{2}S incluso por períodos de tiempo cortos; dicha
exposición está indicada como la causa principal de muerte entre
trabajadores de alcantarillado sanitario. Otro problema mayor con la
evolución del gas H_{2}S es su olor contaminado que provoca
incomodidad para los que están expuestos al mismo.
El ferrato se conoce como útil en una variedad
de aplicaciones para tratamiento de aguas residuales. Las
oxidaciones con ferrato, y su aplicación al tratamiento de aguas
residuales, han sido estudiadas con una visión hacia el uso de
ferratos en varias aplicaciones industriales, en particular con un
número de sustratos orgánicos e inorgánicos. (J. D. Carr, P. B.
Kelter, A. Tabatabai, D Spichal, J. Erickson, y C: W. McLaughlin,
Proceedings of the Conference on Water Chlorination and Chemical
Environmental Impact Health Effects, pp. 1285-88
(1985)). La aplicabilidad de ferrato en tratamiento de residuos o
desperdicios involucra no solo sus capacidades oxidativas sino
también otras propiedades de múltiples propósitos, como su formación
de agentes floculantes, sus propiedades desinfectantes y facultades
generalmente de recuperación.
La filtración directa de aguas subterráneas
usando ferrato ha sido examinada a nivel de planta piloto (T.
Waite, Environ. Sci. Technol., Vol. 17, p.123 (1983)). El control
biocontaminante ha sido investigado (R.L. Bartzatt y D: Nagel,
Arch. Env. Health, 1991, Vol. 46(5), pp. 313'14 (1991)). Las
propiedades coagulaantes del ferrato han sido encontradas como
útiles para la eliminación de turbidez (S:J. De Luca, C.N. Idle,
A.C. Chao, Wat. Sci. Tech. 33(3), 119-130
(1996)). Estudios han mostrado que cuando condensadores modelo
fueron dosificados con soluciones de ferrato de 10^{-5} M dos
veces al día, durante cinco minutos, se inhibió el crecimiento de
biomembranas (T. Waite, M. Gilbert, y C. Hare, Water Tech/Qual., pp.
495-497 (1976)).
Se ha descrito la destrucción de nitrosaminas
por oxidación de ferrato, las cuales son potentes cancerígenos, en
aguas residuales (D. Williams y J. Riley, Inorg. Chim. Acta, Vol. 8,
p. 177 (1974)).
Se ha encontrado que dosis de ferrato
relativamente bajas reducen profundamente la demanda de oxígeno
biológica (BOD por sus siglas en inglés) y el carbón orgánico total
(TOC por sus siglas en inglés) en efluentes secundarios domésticos
(F. Kazama y K. Kato, Kogabkubu Kenkyu Kokou, Vol. 35, pp.
117-22 (1984)).
El ferrato puede ser empleado para el
tratamiento de efluente de molinos o fábricas y de lodos residuales
de fuentes municipales. Se encontró que el tratamiento a niveles de
dosis de 125-1000 mg de K_{2}FeO_{4}/l
disminuye significativamente el CODMn, debido a la oxidación parcial
de sustancias orgánicas de alto peso molecular. Las disminuciones
en el espectro UV después del tratamiento con ferrato han sido
interpretadas como eliminación de ácidos fúlvicos y húmicos dentro
del coágulo de hierro (III) producido cuando el ferrato se redujo
(F. Kazama y K. Kato, Kogabkubu Kenkyu Kokou, Vol. 34, pp.
100-4 (1984)).
Los Poliaminocarboxilatos como el
dietilentriaminopentacetato (DTPA), el etilendiaminotetraacetato
(EDTA) y el nitriloacetato (NTA) son ligandos sintéticos que forman
complejos estables con la mayoría de los metales y se usan en una
variedad de aplicaciones industriales, tales como el revelado
fotográfico, producción de papel y teñido de textiles. El ácido
etilendiaminodisuccinico (EDDS) forma quelatos hexadentados con
metales de transición y se usa en productos de consumo, como jabón
en polvo para lavar. El EDTA es un componente de formulaciones para
descontaminación química del sistema de transporte de calor primario
de reactores de potencia nuclear. La presencia de metales pesados,
junto con poliaminocarboxilatos ha sido descrita en muchos sitios
del Departamento de Energía Norteamericano (DOE por sus siglas en
inglés). Estos poliaminocarboxilatos son pobremente biodegradables
(por ejemplo EDTA), asociados con otras emisiones de regulación por
seguridad (por ejemplo NTA) o poco efectivas (por ejemplo,
citrato).
El ferrato puede aplicarse para degradar poliaminocarboxilatos de metal poliaminocarboxilatos en productos simples.
El ferrato puede aplicarse para degradar poliaminocarboxilatos de metal poliaminocarboxilatos en productos simples.
Ciertos compuestos están relacionados en la
lista de candidatos contaminantes (CCL) de la EPA. Estos incluyen
diazion, disulfoton, fonofos, terbufos, cianazina, prometon,
1,2-difenilhidracina, nitrobenceno, acetoclor,
2,4,6-triclorofenol, y
2,4-diclorofenol. Estos compuestos pueden oxidarse
con ferrato.
El aditivo para gasolinas metil terbutiléter
(MTBE) es un contaminante de aguas subterráneas ubicuo. El programa
norteamericano de evaluación de la calidad del agua nacional
geológica lo ha identificado en 27% de los pozos urbanos
examinados. Una medición más reciente indicó que entre 5 y 10% de
todos los pozos potables de la comunidad en los Estados Unidos
tienen contaminación por MTBE detectable. Persiste en mantos
acuíferos contaminados por petróleo. El MTBE en aguas subterráneas
puede ser oxidado en compuestos relativamente no peligrosos usando
ferrato.
El tricloroetano (TCE), un solvente no
inflamable usado en grandes cantidades en la industria, es el
contaminante orgánico de aguas subterráneas más común y está
clasificado como un "probable cancerígeno para el ser humano".
El TCE se reduce en secuencia en isómeros de dicloroetano (DCE),
cloroetano (CE) y etano. El uso de ferrato en el tratamiento de
aguas subterráneas contaminadas es atractivo debido a lo fácil de su
implementación en el campo y el coste relativamente bajo.
Derivados de fenol altamente clorados, como el
pentaclorofenol (PCP) ha sido puesto en la lista como un
contaminante de prioridad por la Agencia de Protección Ambiental de
los Estados Unidos. El PCP es usado principalmente como un
conservante de madera y biocida general. El PCP es un probable
cancerígeno y su pirólisis y productos de reacción de la combustión
son considerablemente más tóxicos que el mismo PCP. El ferrato puede
ser utilizado en la degradación de PCP.
El ferrato puede aplicarse asimismo a corrientes
efluentes de la industria agroquímica. Uno de los productos comunes
de la industria agrícola, el trifluraline es un inhibidor de la
división celular y nuclear pre-emergente. Es
altamente tóxico para los humanos. El ferrato puede ser aplicado a
corrientes de efluentes de la industria agroquímica que contienen
compuestos tales como el trifluraline.
Los colorantes o tinturas presentes en aguas
residuales originadas por la industria textil son de particular
preocupación ambiental puesto que producen colores indeseables en
las aguas. Son generalmente compuestos dañinos y pueden originar
subproductos tóxicos a través de hidrólisis, oxidación u otras
reacciones químicas que tienen lugar en la fase residual. La
decoloración y degradación de las diferentes clases de colorantes
textiles de la industria textil puede lograrse usando ferrato.
En la industria farmacéutica y química fina, se
llevan a cabo rutinariamente transformaciones orgánicas usando un
agente oxidante basado en compuestos metálicos de transición. Una de
las áreas problemáticas más grandes en metodología sintética es el
de las oxidaciones selectivas. Por ejemplo, la oxidación de
alcoholes llevada a cabo con Cr(VI) o Mn (VII) carecen de
especificidad y selectividad. El ferrato es selectivo y específico
en estas reacciones. Las propiedades no tóxicas del subproducto
Fe(III) hacen del ferrato un oxidante ambientalmente seguro.
El ferrato puede utilizarse en síntesis orgánica, reduciendo con
ello el impacto ambiental de los procesos de oxidación y también
reduce sus costes ("química verde").
La tiourea y sus derivados son conocidos
inhibidores de corrosión y se usan como agentes de compuestos
químicos para limpiar incrustaciones desarrolladas en equipos
industrial, tales como calentadores y reactores nucleares. Debido a
la toxicidad de la tiourea para los organismos acuáticos, se
requiere el tratamiento de residuos de limpieza química de los
calentadores (BCCW) antes de ser desechados. El ferrato puede
eliminar fácilmente la tiourea y los derivados de BCCW.
Las refinerías de petróleo y plantas de
procesamiento de coque generan compuestos que contienen azufre y
cianuro. Estos contaminantes son tóxicos y ambientalmente
importantes debido a su olor ofensivo. Además, su presencia podría
no ser aceptable en el ambiente debido a su alta demanda de oxígeno.
El ferrato puede ser aplicado a efluentes de la industria petrolera
para eliminar el olor relacionado con los compuestos que contienen
azufre y cianuro.
Los suministros de agua potable son a veces
plagados por olores que resultan de la presencia de manganeso (II).
El manganeso (II) provoca problemas estéticos, como agua coloreada,
turbidez, teñido y sabor desagradable. El manganeso (II) puede
también acelerar el desarrollo biológico que exacerba más los
problemas de olor. El manganeso (II) se elimina por oxidación de Mn
(II) soluble con un ferrato en fases sólidas de óxido e hidróxido
relativamente solubles, MnOOH(s) y MnO_{2} (s),
respectivamente.
La descontaminación de agentes de guerra
químicos se requiere en el campo de batalla así como también en
plantas piloto, y producción de agentes químicos, almacenamiento y
sitios de destrucción. El ferrato puede oxidar agentes químicos de
guerra tales como VX
(O-etil-S-(2-diisopropilamina)
etilmetilfosfono-tioato), GD (pinacolil
metilfosfonofluoridato),
GB(2-propilmetilfosfonofluoridato), gas
mostaza (2,2'-diclorodietil sulfuro) y HD
(bis(2-cloroetil)sulfuro). El ferrato
tiene muchas aplicaciones tal como la descontaminación
"apresurada" respetuosa con el medio ambiente en el campo de
batalla donde la velocidad y facilidad de aplicación del
descontaminante es esencial.
Durante la recuperación de gas natural y
petróleo crudo de operaciones de producción en la costa o mar
adentro, se generan aguas que contienen mezclas complejas de
materiales orgánicos e inorgánicos. Aproximadamente, 12 billones de
barriles de agua se producen en los Estados Unidos al año. Este gran
volumen causa problemas ambientales mayores. La toxicidad del agua
y la carga orgánica generalmente caracterizan el impacto del agua en
el medio ambiente. El tratamiento con ferrato puede reducir la
carga orgánica y la toxicidad aguda del agua producida en los
campos petroleros.
Los suministros o abastecimientos de agua que
contienen compuestos de arsénico son una preocupación de salud
mundial. Decenas de miles de personas muestran ya síntomas de
envenenamiento por arsénico. Un máximo de 10 microgramos/l de
arsénico en el agua es el valor umbral recomendado por la
Organización Mundial de la Salud y la Comunidad Europea. Los
procedimientos de eliminación actuales no son adecuados para
satisfacer los criterios para arsénico en ambiente en suministros
de agua. Las etapas que involucran oxidación, adsorción y
precipitación pueden llevarse a cabo con ferrato al eliminar
arsénico del agua.
En años recientes, ha habido una preocupación
creciente por la presencia de materia orgánica natural (NOM) en
abastecimientos de agua subterránea y superficial potables. Una
razón de preocupación está relacionada con la formación de
subproductos de desinfección (DPB) que resultan del tratamiento de
agua mediante procedimientos de cloración. La oxidación de NOM por
cloración produce hidrocarburos clorados, muchos de los cuales se
sabe o se sospecha que son cancerígenos. El ferrato tiene un
excelente potencial para servir como un tratamiento respetuoso con
el medio ambiente para reducir los niveles de DPB en agua potable.
Este proceso no formaría sustancias orgánicas cloradas tóxicas y
puede también mineralizar efectivamente NOM en dióxido de carbono,
eliminando potencialmente la producción de DPB por completo.
Una solución de ferrato puede usarse para
desarrollar un procedimiento para proteger fundiciones de hierro y
acero de la corrosión. Este procedimiento está basado en la
formación de óxido férrico a partir de la descomposición de la
película delgada de ferrato sobre el metal. En este procedimiento,
una mezcla de ferrato de metales alcalinos y una solución alcalina
que contiene un agente reductor se pone en contacto con las
superficies metálicas.
Existen varias desventajas en el uso de sales de
metal tales como aluminio, cloruro férrico y sulfato ferroso en la
eliminación de sólidos de una solución. En primer lugar, la unión de
agua con los iones metálicos crea un lodo gelatinoso con un alto
contenido de agua que incrementa los costes de desaguado. En segundo
lugar, el agua llega a ser más ácida después de la adición de
sales, provocando una disminución en la propiedad coagulante de la
sal. En tercer lugar, la formación de complejos de fosfato metálico
provoca niveles de fosfato en la solución a disminuir y, como
resultado, el fosfato llega a ser menos disponible para las
bacterias. Esto afecta la función biológica del sistema. Los
polímeros orgánicos sintéticos se usan como coagulantes y agentes
floculantes comunes para reemplazar sales metálicas. Para lograr
este fin, se requiere una gran cantidad de polímero lo cual
encarece el proceso. Existen también varias desventajas en el uso de
un polímero sintético. Los polímeros sintéticos liberan materiales
tóxicos en el agua debido a la solubilidad de los polímeros. Además,
la solubilidad es también influenciada enormemente por factores
ambientales como la temperatura y el pH. Los polímeros son muy
sensibles a la calidad del agua y también tienen poco efecto sobre
BOD. Una combinación de polímeros y ferrato puede ser ventajosa.
Esta combinación puede requerir menos cantidad de coagulante y ser
de esta manera menos costosa. Los complejos de polímero y ferrato
pueden formarse para eliminar la toxicidad de la solubilidad de los
polímeros. Los complejos de polímero y ferrato pueden tener también
propiedades con múltiples propósitos y pueden ser menos sensibles a
la calidad del agua.
Un dispositivo que produzca ferrato ubicado en
una instalación de aguas residuales será útil en la solución de
todos los problemas descritos anteriormente que se enfrentan estas
instalaciones. El dispositivo de la presente invención puede
producir de manera económica ferrato en forma rápida. El ferrato
puede ser inyectado en el flujo de aguas residuales y mezclado con
ellas, oxidando y eliminando de esta manera los residuos no
deseados. La oxidación con ferrato de compuestos orgánicos e
inorgánicos da como resultado subproductos seguros ambientalmente.
Además, los subproductos de sales que contienen hierro pueden ser
fácilmente filtrados y eliminados de las aguas residuales. Esto
elimina la necesidad de pasar en forma repetida las aguas residuales
a través de filtros, carbón activado o reactores geológicos o
incubar las aguas residuales en piscinas de bacterias anaeróbicas
para la digestión de los residuos orgánicos.
La generación en sitio de ferrato elimina dos de
los problemas asociados con su uso hoy: coste e inestabilidad.
Debido a que el ferrato se produce en el sitio y puede aplicarse
inmediatamente después de su producción, poca o ninguna atención
debe prestarse al hecho de que sea inestable. El ferrato simplemente
se introduce en las aguas residuales antes de que tenga la
oportunidad de descomponerse. Además, la aplicación de ferrato no
requiere purificación, cristalización o almacenamiento, siendo el
coste de su uso muy bajo. más aún, el ferrato producido con el
dispositivo de la invención requiere menos cantidades de inventario
de alimentación caro.
El ferrato generado mediante los procedimientos
de la presente invención puede usarse en aplicaciones de piscinas y
balnearios. Se sabe que las piscinas, tinas de hidromasaje y
balnearios llegan a contaminarse con residuos orgánicos. Los
residuos entran al agua a partir del cuerpo de los nadadores o por
el aire o por los insectos. Si se deja sin tratar, el agua llega a
ser turbia y desagradable. Los procedimientos usuales de tratamiento
incluyen la adición de oxidantes como blanqueadores y agentes
antibacterianos o antifungicidas. Estos tratamientos crean efectos
secundarios indeseables. Los oxidantes que se dejan en el agua
tienen un efecto adverso en la piel de los nadadores que usan el
agua. Además, los oxidantes crean subproductos dañinos para el medio
ambiente, tales como hidrocarburos clorados.
El dispositivo de la presente invención puede
ajustarse a cualquier piscina o tina de hidromasaje de manera que
el ferrato producido por el dispositivo se mezcle con el agua en una
cámara de mezclado, mediante lo cual todos los residuos orgánicos
se oxidan en productos inocuos, la sales de hierro se filtran y el
agua limpia se vuelve a introducir en la alberca o piscina. Esto
representa un procedimiento altamente efectivo y de coste
conveniente para limpiar el agua de las piscinas, ya que el ferrato
producido mediante los procedimientos de la presente invención es
menos costoso a la larga que la compra de numerosos oxidantes o
químicos antifungicidas necesarios para tratar una piscina.
Muchas plantas de procesamiento generan
corrientes acuosas que comprenden biosólidos tales como proteínas,
carbohidratos, grasas y aceites que deben ser tratados para eliminar
los productos biosólidos potencialmente valiosos antes de que la
corriente pueda ser descargada de la planta. Estas corrientes
acuosas a menudo se derivan de plantas de procesamiento de
alimentos y tienen contenidos de sólidos de aproximadamente 0,01% a
5% en peso. La presente invención proporciona un procedimiento para
la aclaración de dichas corrientes, mediante el cual los sólidos
son floculados y la separación opcional de los mismos de los
biosólidos, los cuales pueden ser posteriormente usados, por
ejemplo, en comida para animales.
Como se ha definido en la presente memoria,
flocular significa separar biosólidos suspendidos de una corriente
que comprende biosólidos donde éstos llegan a añadirse y separar la
parte superior o el fondo de la corriente en la cual los biosólidos
habían estado previamente suspendidos. La floculación produce un
material floculado que, si se desea, puede ser separado físicamente
de la corriente. En la presente invención, es deseable maximizar el
tamaño del material floculado a fin de facilitar la retirada de este
material de la corriente.
El proceso de la presente invención involucra
tratar una corriente acuosa que comprende biosólidos poniendo en
contacto la corriente con ferrato. La corriente acuosa puede
derivarse de cualquier número de procesos que generan dichas
corrientes, desde procesamiento animal y vegetal, incluyendo
procesos no relacionados con alimentos.
En el proceso de la presente invención, la
corriente acuosa que se va a tratar puede ser de alguna planta de
procesamiento que produce una corriente acuosa que comprende
biosólidos, como plantas de procesamiento de comida o alimentos.
Por ejemplo plantas de procesamiento animal y mataderos de animales
y otras plantas de procesamiento de alimentos pueden producir
corrientes acuosas que comprenden proteínas, grasas y aceites. Las
plantas de procesamientos y mataderos de animales incluyen aquéllos
para ganado vacuno, cerdos, aves y mariscos. Otras plantas de
procesamiento de alimentos incluyen plantas para vegetales, granos y
productos lácteos, plantas de procesamiento de soja, arroz, quesos,
cebada y suero de la leche; plantas para la molienda de almidones y
granos; así como cervecerías, destilerías y plantas vinícolas. Los
biosólidos presentes en corrientes acuosas que resultan de estos
procesos pueden incluir azúcares, almidones y otros carbohidratos
además de proteínas, grasas y aceites. Por ejemplo, al procesar
soja, se extraen proteínas hacia una corriente acuosa desde la cual
son recuperadas posteriormente. La presente invención es
especialmente útil para tratar corrientes derivadas de
procesamiento animal y más particularmente de procesamiento de
aves.
Si bien la presente invención es útil en
operaciones de procesamiento de comida o alimentos convencionales,
los cuales producen suspensiones acuosas de biosólidos, se apreciará
que la presente invención es también útil en el tratamiento de
suspensiones acuosas de biosólidos derivados del procesamiento de
materiales de comida (animales o vegetales), los cuales podrían
tener usos distintos. Por ejemplo, cuando se separan y se
recuperan, las proteínas son útiles en ciertos cosméticos y otras
formulaciones para el cuidado de la piel; la fécula tiene numerosos
usos distintos a los de comida, incluyendo usos en la manufactura de
papel. más aun, la presente invención es útil para tratar en
general cualquier corriente acuoso que comprenda biosólidos, que
pudieran resultar de procesamientos que no producen artículos de
comida. Además, aunque los biosólidos, como se ha descrito
anteriormente, están generalmente suspendidos en una corriente
sustancialmente acuosa, la concentración de biosólidos disueltos en
la corriente depende de las propiedades de la corriente o de los
biosólidos, como por ejemplo pH, salinidad u otros parámetros.
El proceso de la presente invención involucra el
tratamiento de una corriente acuosa que contiene biosólidos, por
ejemplo proteínas, para reducir sólidos suspendidos (como se miden
por turbidez) y opcionalmente separar los biosólidos. Los
biosólidos pueden recuperarse para un uso posterior. Se apreciará
que este proceso puede capturar tanto biosólidos suspendidos como
también materiales solubles, como los que están presentes en la
sangre y azúcares.
Los biosólidos floculados pueden ser separados
opcionalmente de la corriente tratado mediante procesos de
separación convencionales, tales como sedimentación, flotación,
filtrado, centrifugación, decantación o combinaciones de estos
procesos. Los biosólidos separados pueden ser recuperados
posteriormente y usados en numerosas aplicaciones. También se ha
encontrado sorprendentemente que los biosólidos recuperados a partir
de este proceso tienen olor reducido cuando están secos, con
relación a los recuperados a partir de un proceso que usa cloruro
férrico como parte de un sistema de floculación. Los biosólidos
floculados pueden separarse y recuperarse mediante técnicas
conocidas, como las mencionadas anteriormente.
El proceso de la presente invención está basado
en la precipitación de materiales radiactivos, particularmente
uranio, disueltos en soluciones acuosas. Los materiales radiactivos
disueltos pueden ser de una corriente que fluye naturalmente o de
una planta de tratamiento de agua derivada de la operación de minas
de uranio. El agua de la corriente está destinada a ser tratada por
medio de una instalación de tratamiento de agua urbana convencional
para uso potable y doméstico.
El ferrato ha sido propuesto como agente de
tratamiento para la eliminación de radionúclidos (transuránicos) de
las aguas residuales. En la actualidad, el enfoque ha sido sobre la
industria nuclear, en la que el ferrato se usa para eliminar uranio
y elementos transuránicos del agua contaminada. Además, existe
actualmente un interés en usar ferrato en la eliminación de
plutonio y americio de efluentes de aguas residuales.
La patente US nº 4.983.306 de Deininger describe
un procedimiento para refinar elementos transuránicos de aguas
residuales radiactivas usando FeO_{4}^{2-} que involucra ajustar
el pH de una fuente de agua que contiene elementos transuránicos
comprendidos entre 6,5 y 14,0. Supuestamente, la eliminación ocurre
por co-precipitación de los transuránicos dentro de
la matriz de hidróxido férrico similar a otros metales pesados.
También se usan pequeñas cantidades de una sustancia química en
comparación con la tecnología común. En base a dosificaciones de
sustancias químicas, la generación de lodo o fango radiactivo usando
este procedimiento se reduce de 3 a 20%, dependiendo del contenido
de sólidos suspendidos en el suministro de aguas residuales
(Deininger, et al., Waste Manage. 90, vol. 1, pp.
789-795 (1990)).
Se pueden usar soluciones diluidas de ferrato
para el pre-tratamiento de oxidación de películas o
membranas que contienen óxido de cromo (III) que resultan de la
corrosión de superficies de metal de base de sistemas de tuberías y
similares para dejar películas de corrosión más adaptables a
tratamientos de limpieza química convencionales. Existe una
necesidad existente de reemplazo de oxidantes de laboratorio
actualmente usados, especialmente los derivados de cromato. El
cromato y el cloro preocupan al medio ambiente y en oxidaciones de
cromato se forma Cr(III), el cual es un probable cancerígeno.
También en reacciones de permanganato se genera MnO_{2}.
La extracción de metales pesados, tales como el
cobre, cadmio y manganeso usando ferrato es también conocida. Se ha
demostrado que el ferrato elimina suspensiones coloidales y metales
pesados a través de floculación (T. Suzuki, Odaku Kenkyu, Vol. II
(5), p. 293-296 (1988)). El mecanismo para la
eliminación de Mn involucra la formación oxidativa de MnO_{2}
insoluble y el entrampado subsecuente de estos metales dentro del
precipitado Fe(OH)3 que resulta del producto de la
reducción del ferrato. El cobre y el cadmio son eliminados de una
forma similar. Se ha estudiado la eliminación de iones de metales
pesados y ácido húmico por coagulación después de tratamiento con
ferrato de potasio. Los iones metálicos son generalmente atrapados
durante la sedimentación (F. Kazama y K. Kato, Kogyo Yosui, Vol.
357, p. 8-13 (Chemical Abstract 110:63421y)
(1988)).
Adicionalmente, las superficies metálicas como
las usadas en dispositivos médicos o en la industria de
semiconductores necesitan ser limpiadas o desinfectadas. Los
procedimientos actuales para limpiar superficies metálicas requiere
su exposición a desinfectantes tales como blanqueadores o lejías,
que son altamente corrosivos. En consecuencia, las partes de metal
se corroen y rutinariamente fallan debido a fatiga y necesitan ser
reemplazadas. Aparte de los altos costes de reemplazo de piezas de
metal corroídas, el fallo de los instrumentos crea molestia e
incomodidad para los usuarios y responsabilidades para los
fabricantes.
El ferrato producido mediante los procedimientos
de la presente invención puede usarse para limpiar las superficies
de estas partes metálicas. El ferrato no es corrosivo y no daña la
integridad de la pieza de metal. Como se ha mencionado
anteriormente, la actividad biocida del ferrato es comparable con la
del blanqueador o lejía. Por tanto, el ferrato proporciona un medio
eficiente, eficaz y económico por medio del cual pueden limpiarse
estas superficies metálicas.
En el campo médico, existe una gran necesidad de
desinfectar y limpiar instrumentos y superficies. El dispositivo
que genera ferrato según la presente invención puede usarse en una
instalación de hospital para dicho uso.
El ferrato generado mediante los procedimientos
de la invención puede ser usado para tratar una herida, como se
describe en la patente US nº 6.187.347.
El siguiente es un procedimiento representativo
para sintetizar ferrato. Añadir 75 ml de agua destilada a un vaso
de laboratorio de 250 ml. Añadir 30 g de NaOH para dar lugar a una
solución de 10 M. Enfriar la solución cáustica en un baño de hielo.
Bombear Cl_{2} (g) (aproximadamente 6,5 g) a la solución mientras
se mezcla hasta saturar. Añadir un segundo lote (70 g) de NaOH a la
solución de hipoclorito. Mantener fría la solución. Filtrar por
cuarzo el residuo. Añadir 25 g de Fe(NO3)3\cdot9
H_{2}O mientras se bate. Filtrar a través de filtro de cuarzo
medio. Analizar el rendimiento Fe^{6+} usando espectroscopia
UV-Vis observando absorbencia en aproximadamente
510 nm.
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El ferrato se sintetiza usando el procedimiento
del Ejemplo 1, excepto que se usaron 16,35 g de cloro en lugar de
6,5 g. 40 g de solución de hipoclorito filtrada por fragmentos de
vidrio de cuarzo se añadieron a un recipiente de reacción con
camisa de 50 ml con una barra de agitación de TEFLON®. Se hizo
circular agua a temperatura controlada a través de la camisa para
controlar y establecer la temperatura de reacción. Se añaden 5 g de
nonahidrato de nitrato de sodio
(Fe(NO3)3\cdot9H_{2}O) durante un periodo de pocos
minutos para iniciar el experimento. Una cantidad de NaOH puede ser
añadida a la solución antes de empezar el experimento.
"Absorbencia Esperada" se refiere a la absorbencia teórica de
la solución si todo el hierro en la solución hubiera sido convertido
en Fe(VI).
Segundo Lote (25 g) de NaOH se añade en la
producción de hipoclorito. La temperatura se fija en 30ºC.
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\newpage
Segundo Lote (25 g) de NaOH se añade en la
producción de hipoclorito. Temperatura se fija a 35ºC.
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El ferrato es sintetizado usando el
procedimiento del Ejemplo 1, excepto que se usaron 17 g de cloro en
lugar de 6,5 g. Se añadieron 40 gramos de solución filtrada de
fragmentos de cristal de cuarzo de hipoclorito en solución de
hidróxido de sodio saturada en un vaso de precipitación Pyrex de 50
ml con una barra de agitación de TEFLÓN®. El vaso de precipitación
se colocó en un plato de cristalización grande sobre una placa de
agitación magnética. El plato de cristalización tiene una mezcla de
agua y hielo para mantener una temperatura de
19-20ºC. Se añadieron 5 gramos de nonahidrato de
nitrato férrico durante un periodo de cuatro minutos para iniciar
el experimento. La sal de hierro se distribuye a través de la mezcla
pero no hay actividad visualmente aparente durante unos minutos. La
temperatura de la mezcla de reacción sube lentamente. Cerca de 10
minutos después de iniciar la adición del hierro, la mezcla se
vuelve púrpura oscura. Simultáneamente, la temperatura de reacción
llega al tope a 31ºC. En este punto, se acciona un cronómetro para
la toma de muestras para el análisis del Ferrato(VI). El
baño de agua y hielo mantiene una temperatura constante de
19-20ºC.
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\newpage
El ferrato se sintetiza usando el procedimiento
del Ejemplo 1. Se mezclaron 30 g de NaOH más 75 g de agua en la
cámara de reacción, seguido por la adición de 6,5 g de Cl_{2}. Se
añaden otros 70 g de NaOH. La fase en solución se hace reaccionar
con 25 gramos de nitrato férrico.
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El ferrato se sintetiza usando el procedimiento
del Ejemplo 1, excepto que se usaron 12,9 g de cloro en lugar de
6,5 g y la segunda adición de hidróxido de sodio fue de 25 g en
lugar de 70 g. El vaso de reacción es un vaso de precipitación de
30 ml en un baño de agua a 30ºC. Iniciar con una solución de 15 g de
solución de hipoclorito/hidróxido de sodio. Durante dos minutos,
añadir una cantidad proporcionada de cristales de nonahidrato de
nitrato férrico (4,8 g). Iniciar el bombeo de lejía hacia el
recipiente a una velocidad de 1,2 g por minuto. Simultáneamente,
suministrar en continuo cristales de hierro hacia el recipiente a
una velocidad de 0,24 g por minuto. Parar después de 20 minutos,
este punto en tiempo llega a ser tiempo = 0 en la tabla de abajo.
Durante este periodo la temperatura máxima fue de 40ºC pero casi
siempre se mantuvo una temperatura cercana a 30ºC. Después de que
se detuvieron las adiciones, se tomaron muestras para análisis
espectrofotométrico.
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\newpage
El ferrato fue sintetizado usando una receta
dada por Audette y Quail, Inorganic Chemistry 11(8) 1904
(1972).
Tomar una pequeña botella de muestra y registrar
su peso de tara lo más cercano a 0,01 gramos. Dentro de una caja
seca, pesar 30 g de hidróxido de sodio en una pipeta de 300 ml, 70 g
de hidróxido de sodio en una pipeta de 150 ml, y 5,0 g de
nonahidrato de nitrato férrico en una botella de muestra. Tapar cada
recipiente. Retirar los tres recipientes de la caja seca. Volver a
pesar y registrar el peso de la botella de muestra pequeña lo más
próximo a 0,01 gramos. Añadir 75 g de agua desionizada a la pipeta
grande. Volver a tapar la pipeta grande y colocarla en hielo.
Retirar la tapa de la pipeta grande, colocar una
barra agitadora recubierta con TEFLON®, pesarla y registrar su
peso. Colocar la pipeta en un plato de cristalización grande sobre
una placa de agitación, añadir hielo al plato de cristalización por
encima del nivel de la solución, e iniciar la agitación. Poner un
termómetro de cristal en la solución.
Limpiar y secar la punta de introducción de un
sistema de introducción de cloro. Iniciar la adición de cloro en la
solución de hidróxido de sodio. Asegurar que la solución de
hidróxido de sodio no vuelva hacia el tubo de introducción en
dirección al cilindro de cloro. Vigilar la velocidad de las burbujas
y no ir demasiado rápido. Vigilar la temperatura y mantenerla
inferior a 20ºC. Revisar periódicamente el peso de la pipeta más
contenidos y detener la adición de cloro cuando se ha añadido
suficiente cloro (20 g de cloro en este ejemplo). Registrar el peso
de la pipeta más contenidos.
Devolver el frasco al baño de hielo con el
termómetro. Iniciar lentamente la adición de la segunda alícuota de
NaOH. Vigilar de cerca la temperatura; preferentemente es
aproximadamente 25ºC. Filtrar la mezcla a través del filtro de
cristal fragmentado. Poner 40 g de filtrado en una cubeta o vaso de
laboratorio con una barra de agitación corta. Disponer la cubeta en
el plato de cristalización y añadir agua y hielo o calor como sea
necesario para establecer la temperatura en el punto fijado.
Disponer un termopar en el recipiente de reacción.
Iniciar la adición de cristales de nonahidrato
de nitrato férrico del frasco de muestra pequeño y empezar a
registrar simultáneamente la temperatura de los contenidos del
recipiente de reacción. Se tardará 4 ó 5 minutos en añadir los
cristales férricos. Una vez que el color púrpura es claramente
evidente, iniciar la toma de muestras para el análisis del ferrato
(VI).
El ferrato se sintetiza usando el procedimiento
del ejemplo 1, excepto que se usaron 23,1 g de cloro en lugar de
6,5 g. Se añadieron 40 g de blanqueador de lejía filtrada en
fragmentos de vidrio de cuarzo en solución de hidróxido de sodio
saturada a una jarra o cubeta Pyrex de 50 ml con una barra de
agitación de Teflón. La cubeta se colocó en un plato de
cristalización grande sobre una placa de agitación magnética. El
baño de agua se mantuvo a una temperatura de
26-27ºC. Se añadieron 5 g de nonahidrato de nitrato
férrico durante un período de 3 minutos para empezar el
experimento*. Durante esta etapa, la mezcla se espumó ligeramente
provocando que los cristales de nitrato de hierro tendieran a
flotar sobre la espuma y a no mezclarse. A los 6 minutos, la mezcla
era de un color púrpura oscuro y se inició la toma de muestras
tomando aproximadamente 0,3 g y diluyendo a 100 g con una solución
tampón fría. Los 6 minutos coincidieron con la temperatura de mezcla
más alta o pico, 42ºC. Durante los próximos minutos, la espuma
continuó subiendo.
El ferrato se sintetiza usando el procedimiento
del ejemplo 1, excepto que se usaron 12 g de cloro en lugar 6,5 g.
El recipiente de reacción es un vaso de laboratorio con camisa
mantenido a 35ºC. Iniciar con 20 g de hipoclorito/sodio. Añadir
gradualmente 1,6 g de cristales de nonahidrato de nitrato férrico.
Esto es un exceso estequiométrico de 5 veces de hipoclorito sobre
férrico (III). La temperatura máxima alcanzada durante esta etapa
fue de 39ºC.
Se usa un recipiente de mezclado con camisa
dispuesto para controlar la temperatura a 30ºC. Un recipiente de
reactor en forma de un tubo se usa con un escenario de temperatura
controlada de 35ºC. Se usa una bomba peristáltica de velocidad
variable, con cabezas múltiples, dispuesta para introducir una
solución de hipoclorito de sodio en la cámara de mezclado a una
velocidad de aproximadamente 30 mg/s. Otro tubo en la cabeza de la
bomba se usa para transferir mezcla de la cámara de mezclado al tubo
reactor.
Preparar un frasco de muestra con más de 10 g de
nonahidrato de nitrato férrico, registrar su peso. Preparar otro
frasco de muestra con nonahidrato de nitrato férrico para
proporcionar 3,42 g. Añadir 17,1 g de solución de hipoclorito de
sodio a la cámara de mezclado. Iniciar el mezclado. Añadir
gradualmente 3,42 g de nonahidrato de nitrato férrico. Iniciar el
recuento de tiempo del experimento e iniciar la introducción de la
solución de hipoclorito de sodio desde la bomba peristáltica. A
intervalos de 1 minuto, añadir 0,342 g de cristales (medidos
visualmente) a la cámara de mezclado. Después de añadir durante 5
minutos, empezar a transferir la mezcla de reacción al reactor de
circulación colocando la entrada del tubo de transferencia hacia la
bomba peristáltica a la superficie de la mezcla de reacción.
Después de añadir durante 10, 15 y 20 minutos, registrar el peso
del frasco de cristal. Después de añadir durante 20 minutos, detener
la introducción de solución de hipoclorito de sodio y detener la
adición de cristales. Volver a colocar la entrada del tubo de
transferencia hacia la bomba peristáltica cerca del fondo del
recipiente de mezclado y continuar bombeando desde allí hasta el
reactor de circulación. Cuando la cámara de mezclado está vacía,
parar la bomba peristáltica. A los 60 minutos, obtener una muestra
del producto del extremo de salida del reactor y medir su
absorbencia. A los 80 minutos, obtener una muestra del producto del
extremo de entrada del reactor y medir su absorbencia.
El ferrato se sintetiza usando el procedimiento
del Ejemplo 1. Se añadieron 40 g de blanqueador filtrado en
fragmentos de cuarzo en solución de hidróxido de sodio saturada a un
vaso de laboratorio Pyrex de 50 ml con una barra agitadora de
teflón. El vaso se coloca en un vaso de cristalización grande sobre
una placa de agitación magnética. El plato de cristalización tiene
una mezcla de agua y hielo para mantener una temperatura de 19 a
20ºC. Se añaden 5 g de nonahidrato de nitrato férrico durante un
período de 4 minutos para iniciar el experimento. La sal de hierro
se distribuye a través de la mezcla pero no hay actividad
visualmente aparente durante unos minutos. La temperatura de la
mezcla de reacción se eleva lentamente. Relativamente de forma
repentina, la mezcla se vuelve púrpura oscuro. Esto sucedió 10
minutos después de iniciar la adición de hierro, simultáneamente,
la temperatura de reacción se elevó al máximo a 31ºC. En este punto,
se accionó un cronómetro para la toma de muestras para el análisis
del ferrato (VI). El baño de agua y hielo mantuvo una temperatura
constante de 19 a 20ºC.
\vskip1.000000\baselineskip
Se añadieron 40 gramos de una solución
blanqueadora filtrada de fragmentos de cristal de cuarzo a un
recipiente de reacción con camisa de 50 ml con una barra de
agitación de TEFLÓN®. Se hizo circular agua a temperatura
controlada a través de la camisa para controlar y establecer la
temperatura de reacción. Cinco gramos de nonahidrato de nitrato
férrico se añadieron durante un periodo de pocos minutos para
iniciar el experimento.
Punto de control de Temperatura 30ºC
\newpage
Punto de control de temperatura 35ºC
\vskip1.000000\baselineskip
El recipiente de reacción es un vaso de
precipitación de 30 ml en un baño de agua de 30ºC. Iniciar con 15 g
de solución de hidróxido de sodio/hipoclorito. Durante dos minutos,
añadir una cantidad estequiométrica de cristales de nonahidrato de
nitrato férrico (3 g). Empezar a bombear solución blanqueadora
dentro del recipiente a una velocidad de 1,2 g por minuto.
Simultáneamente, alimentar cristales de hierro en forma continua
dentro del recipiente a una velocidad de 0,24 g por minuto. Parar
después de 20 minutos, este punto en tiempo llega a ser tiempo = 0
en la tabla de abajo. Durante este periodo la temperatura máxima fue
de 40ºC pero se mantuvo una temperatura de cerca de 30ºC. Después
las adiciones fueron interrumpidas, se tomaron muestras para
análisis espectrofotométrico.
Claims (5)
1. Procedimiento para sintetizar en continuo una
solución de ferrato acuosa, que comprende:
- a)
- mezclar una solución acuosa que comprende una sal de hierro y un agente oxidante en una cámara de mezclado;
- b)
- introducir al menos una porción de la solución acuosa en una cámara de reacción;
- c)
- generar en continuo una solución de ferrato acuosa en la cámara de reacción;
- d)
- introducir al menos una porción de la solución de ferrato acuosa, sin conversión a la fase sólida a un sitio de utilización durante cierto tiempo de tal manera que la concentración de ferrato a nivel del sitio de utilización en el momento de la introducción es igual o superior a la mitad de la concentración de ferrato a nivel del sitio de generación; y
- e)
- añadir la solución acuosa adicional a la cámara de mezclado.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, que
comprende además añadir una base a la solución acuosa.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, que
comprende además repetir las etapas (b) a (d).
4. Dispositivo para sintetizar en continuo
ferrato para entregar en un sitio de uso, que comprende:
- a)
- una primera cámara de retención;
- b)
- una segunda cámara de retención;
- c)
- una cámara de mezclado conectada de forma controlada con la primera cámara de retención y con la segunda cámara de retención, en la cual se añade el contenido de la primera cámara de retención y el contenido de la segunda cámara de retención para formar una mezcla;
- d)
- una cámara de reacción conectada de forma controlada con la cámara de mezclado, estando dicha cámara de reacción adaptada para recibir la mezcla y mantener la primera mezcla durante un periodo de tiempo;
- e)
- una mezcla de solución en la cámara de reacción; y
- f)
- una abertura de salida en la cámara de reacción para transportar la solución de ferrato acuosa al sitio de uso, sin cristalización ni almacenamiento adicional.
5. Dispositivo según la reivindicación 4, en el
que la cámara de mezclado comprende además un dispositivo de
control de temperatura.
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