ES2711620T3 - Método para separar sulfato de aguas residuales - Google Patents
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Abstract
Un método para separar sulfato, calcio y otros metales solubles a partir de agua residual que contiene sulfato, que comprende a) una etapa de preparación de aluminato de sodio in situ, en el que se ponen en contacto NaOH y Al(OH)3 a una temperatura de 90 ºC-180 ºC y una relación en moles de NaOH:Al(OH)3 de 1,2-2,0, para preparar aluminato de sodio, b) una etapa de precipitación de etringita, en la que el agua residual se pone en contacto con el aluminato de sodio obtenido in situ y un primer compuesto de calcio, dentro de los 7 días de la preparación del aluminato de sodio obtenido in situ, para producir un lodo que contiene etringita, c) una primera etapa de separación, en la que se realiza una separación sólido-líquido para el lodo que contiene etringita, para separar sólidos del líquido, produciendo así una primera solución, d) una etapa de neutralización, en la que la primera solución se pone en contacto con un agente de carbonatación para neutralizar la primera solución y precipitar el calcio contenido en la primera solución en forma de carbonato de calcio, y e) una segunda etapa de separación en la que se realiza una separación sólido-líquido para separar carbonato de calcio precipitado de la primera solución con el fin de obtener agua que tiene un contenido reducido de sulfato, calcio y otros solubles.
Description
DESCRIPCION
Metodo para separar sulfato de aguas residuales
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un metodo para separar sulfato, calcio y otros metales solubles de aguas residuales que contienen sulfatos y, mas particularmente, a un metodo para separar sulfato, calcio y otros metales solubles de aguas residuales usando aluminato de sodio.
Antecedentes de la invencion
El producto qmmico aluminato de sodio es necesario en un procedimiento de precipitacion denominado de etringita, que es usado para la separacion de sulfato y calcio del agua, especialmente a partir de aguas residuales industriales de minena. El procedimiento de precipitacion de etringita es una forma eficaz de separar sulfato de aguas residuales hasta niveles muy inferiores a los que pueden conseguir mediante procedimientos de precipitacion con yeso tradicionales. Sin embargo, el aluminato de sodio puede ser costoso y no siempre esta facilmente disponible en todos los lugares en que se necesita.
La publicacion de patente WO 98/55405 describe un procedimiento para separar sulfatos y calcio a partir de una corriente de agua que comprende las etapas de combinar la corriente de agua y una cantidad de trihidroxido de aluminio amorfo (Al(OH)3 ); permitiendo la formacion de etringita como un precipitado y separar la etringita precipitada de la corriente de agua. La corriente de agua puede ser combinada tambien con una cantidad de hidroxido de aluminio y una cantidad de cal (CaO). El procedimiento puede incluir una etapa de supersaturacion, que implica hacer pasar la corriente de agua a traves de un precipitador de solidos grandes para provocar la precipitacion de sulfato de calcio sobre yeso observada en forma de dihidrato de sulfato de calcio (yeso). El procedimiento puede incluir tambien una etapa de tratamiento posterior de anadir dioxido de carbono a la corriente de agua para precipitar la cal disuelta en forma de carbonato de calcio y reducir el pH de la corriente de agua.
La publicacion de patente DE 3709950 describe un metodo para separar iones sulfatos de aguas residuales a traves de la precipitacion de aluminato-sulfatos de calcio escasamente solubles con iones aluminato en presencia de iones de calcio. La fuente de iones aluminato es aluminato de sodio o un material que contenga aluminato de sodio. Ademas del aluminato de sodio o el material que contiene aluminato de sodio se anade tambien cal. Por tanto, pueden ser usadas Ca(OH)2 y CaO. Aunque la publicacion de patente DE 3709950 describe que el aluminato de sodio puede ser preparado usando Al(OH)2 e hidroxido de sodio, nada dice sobre cualesquiera parametros adecuados del metodo y su posible efecto sobre el metodo de precipitacion de etringita.
La publicacion “Design Manual: Neutralization of Acid Mine Drainage”, EPA-600/2-83-001 describe un procedimiento para tratar aguas residuales que tienen un elevado contenido de sulfatos a traves de la precipitacion de sulfoaluminatos de calcio insolubles.
Breve descripcion de la invencion
Un objeto de la presente invencion, por tanto, es proporcionar un metodo destinado a paliar las desventajas anteriores. Los objetos de la invencion se consiguen mediante un metodo que esta caracterizado por lo establecido en la reivindicacion independiente 1. Las realizaciones preferidas de la invencion se describen en las reivindicaciones dependientes.
La invencion se basa en la idea de producir aluminato de sodio in situ y utilizarlo en un procedimiento de separacion de sulfato. Mas espedficamente, la invencion se basa en la idea de producir aluminato de sodio in situ usando una combinacion espedfica de parametros de procedimiento y usando el aluminato de sodio asf obtenido en el procedimiento de separacion de sulfato con posterioridad.
El aluminato de sodio es un producto qmmico costoso y no necesariamente de facil disponibilidad en todos los lugares en los que es necesario para el procedimiento de precipitacion de etringita. Sin embargo, las materias primas para el aluminato de sodio, NaOH y Al(OH)3 estan facilmente disponibles y son menos costosas. La preparacion de aluminato de sodio in situ a una menor presencia de carbono ya que no es necesario transferir una solucion bastante diluida de aluminato de sodio.
La presente invencion se refiere a un metodo para separar sulfato, calcio y otros metales solubles a partir de aguas residuales que contienen sulfatos. El metodo comprende las siguientes etapas
a) una etapa de preparacion de aluminato de sodio in situ, en el que se ponen en contacto NaOH y Al(OH)3 a una temperatura de 90 °C-180 °C y una relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 de 1,2-2,0, para preparar aluminato de sodio, b) una etapa de precipitacion de etringita, en la que el agua residual se pone en contacto con el aluminato de sodio obtenido in situ y un primer compuesto de calcio dentro de los 7 dfas de la preparacion del aluminato de sodio obtenido in situ para producir un lodo que contiene etringita,
c) una primera etapa de separacion, en la que se realiza una separacion solido-Kquido para el lodo que contiene etringita, para separar solidos del Kquido, produciendo asf una primera solucion,
d) una etapa de neutralizacion, en la que la primera solucion se pone en contacto con un agente de carbonatacion para neutralizar la primera solucion y precipitar el calcio contenido en la primera solucion en forma de carbonato de calcio, e) una segunda etapa de separacion en la que se realiza una separacion solido-lfquido para separar carbonato de calcio precipitado de la primera solucion con el fin de obtener agua que tiene un contenido reducido de sulfato, calcio y otros metales solubles.
Una ventaja adicional del metodo de la invencion es que cuando se usa el aluminato de sodio preparado segun la presente invencion, se consigue un contenido de sulfato significativamente inferior en el agua residual una cantidad mas pequena de precipitacion de productos qmmicos. Los agentes estabilizantes que es necesario que esten presentes en los aluminatos de sodio disponibles en el comercio parece que interfieren con la reaccion de precipitacion de etringita, dando lugar asf a una velocidad inferior de separacion de sulfato. Con la presente invencion y los parametros del procedimiento usados en el metodo de preparacion de aluminato de sodio, la reactividad del aluminato de sodio esta a un excelente nivel.
Otra ventaja de la presente invencion es que cuando se produce el aluminato de sodio en las condiciones de la presente invencion, permanece una cantidad minima de Al(OH)3 residual en la solucion de aluminato de sodio despues de reaccion de preparacion. Esto significa que hay una mayor concentracion de aluminio soluble en el aluminato de sodio.
Se encontro tambien sorprendentemente que, con la presente invencion, la cantidad de aluminio y sodio solubles en el filtrado procedente del procedimiento de etringita puede ser minimizada. Se encontro tambien sorprendentemente que el Al(OH)3 sin reaccionar en las soluciones de aluminato de sodio no tiene un efecto negativo en la etapa de precipitacion de etringita ni reacciona adicionalmente con la sal de etringita, como sena de esperar por un experto en la tecnica. Por tanto, se encontro un procedimiento simple, en el que no es necesaria una filtracion para separar la materia solida sin reaccionar despues de la formacion de aluminato de sodio y antes de su utilizacion en la etapa de precipitacion de etringita.
Breve descripcion de los dibujos
En lo que se sigue se describira la invencion mas en detalle por medio medios de realizaciones preferidas haciendo referencia a los dibujos que se acompanan, en los cuales
la figura 1 es un ejemplo de realizacion de la presente invencion;
la figura 2 es un grafico de contornos de los solidos residuales [g/I] despues de la reaccion como una funcion de la temperatura de reaccion y de la relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 ;
la figura 3 es un diagrama que muestra la cantidad de sulfato residual despues de un tiempo de reaccion de 15 minutos como una funcion de la relacion en moles de Al/SO4;
la figura 4 es un diagrama que muestra la cantidad de sulfato residual despues de un tiempo de reaccion de 30 minutos como una funcion de la relacion en moles de Al/SO4;
la figura 5 es un diagrama que muestra la cantidad de sulfato residual despues de un tiempo de reaccion de 60 minutos como una funcion de la relacion en moles de AI/SO4 ;
la figura 6 es un diagrama que muestra el Al residual despues de un tiempo de reaccion de 30 min como una funcion de la relacion en moles de Al/SO4 inicial;
la figura 7 es un diagrama que muestra Na residual despues de un tiempo de reaccion de 30 min como una funcion de la relacion en moles de Al/SO4 inicial.
Descripcion detallada de la invencion
La presente invencion se refiere a un metodo para tratar aguas residuales, especialmente separando sulfato, calcio y otros metales solubles del agua residual que contiene sulfatos. El metodo comprende las siguientes etapas a) una etapa de preparacion de aluminato de sodio in situ, en la que se ponen en contacto NaOH y Al(OH)3 a una temperatura de 90 °C-180 °C y una relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 de 1,2-2,0, para preparar aluminato de sodio, b) una etapa de precipitacion de etringita, en la que el agua residual se pone en contacto con el aluminato de sodio obtenido in situ y un primer compuesto de calcio, en los 7 dfas de la preparacion del aluminato de sodio obtenido in situ, para producir un lodo que contiene etringita,
c) una primera etapa de separacion, en la que se realiza una separacion solido-lfquido para el lodo que contiene
etringita para separar solidos del Ifquido produciendo asf una primera solucion,
d) una etapa de neutralizacion, en la que la primera solucion se pone en contacto con un agente de carbonatacion para neutralizar la primera solucion y precipitar el calcio contenido en la primera solucion en forma de carbonato de calcio, e) una segunda etapa de separacion en la que se realiza una separacion solido-lfquido para separar el carbonato de calcio precipitado de la primera solucion con el fin de obtener agua que tiene un contenido reducido de sulfato, calcio y otros metales solubles.
El presente metodo esta basado en la idea de preparar aluminato de sodio in situ y usarlo en un metodo de precipitacion de etringita. Los parametros del procedimiento usados en la etapa de preparacion de aluminato de sodio tienen un efecto ventajoso sobre las propiedades del aluminato de sodio preparado y, por lo tanto, tambien sobre el resultado del procedimiento de precipitacion de etringita.
El agua residual es cualquier agua a partir de la cual se desee separar sulfato, normalmente sulfato, calcio y otros metales solubles. Normalmente el agua residual es un agua que contiene sulfato. Mas normalmente el agua residual es agua de tratamiento, efluente o agua que contiene sulfato, como agua de minena, agua reciclada de un concentrador o agua de deshecho de un concentrador.
El metodo de la presente invencion es especialmente adecuado para tratar las aguas residuales de concentradores, en las que el sulfato es un problema en las corrientes de reciclado o deshecho. El problema espedfico en las aguas de las instalaciones de los concentradores es el contenido simultaneo elevado de sulfato y calcio, que hace factible la configuracion de la presente invencion.
En la etapa de preparacion de aluminato de sodio, se ponen en contacto NaOH y Al(OH)3 a una temperatura de al menos 90 °C y la relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 al menos a 1,2, para preparar aluminato de sodio. El NaOH es usado normalmente en forma lfquida y el Al(OH)3 esta normalmente en la forma de un polvo. Estos dos reactivos se ponen normalmente en un reactor, normalmente en un reactor que puede ser calentado y que comprende medios para mezclar, como un mezclador mecanico.
La temperatura de la reaccion se mantiene al menos a 90 °C, mas normalmente al menos a 95 °C. La relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 se mantiene en un valor de al menos 1,2, mas normalmente al menos 1,25. El lfmite superior de la relacion en moles es normalmente como maximo de 2,0, mas normalmente como maximo de 1,5. Normalmente la temperatura de la reaccion esta en el intervalo de 90 °C-180 °C, mas normalmente en el intervalo de 90-105 °C, incluso mas normalmente 95-105 °C.
La relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 esta normalmente en el intervalo de 1,2-2,0, mas normalmente en el intervalo de 1,2-1,5, incluso mas normalmente de 1,2-1,40, todavfa mas normalmente 1,25-1,4. Se encontro sorprendentemente que si la temperatura de la reaccion se mantiene en al menos 90 °C, mas normalmente al menos 95 °C y la relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 se mantiene en un valor de al menos 1,2, mas normalmente al menos 1.25, la cantidad de solidos residuales que permanece despues de la reaccion disminuye significativamente. Sin embargo, se encontro tambien que el contenido de sodio del agua tratada obtenida despues de la precipitacion de etringita se eleva hasta niveles indeseablemente elevados si la relacion en moles de usada es de mas de 2,0, normalmente mas de 1,5. Se encontro tambien sorprendentemente que cuando se preparo aluminato de sodio en las condiciones en que la temperatura de la reaccion se mantiene en al menos 90 °C, mas normalmente al menos 95 °C y la relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 se mantiene en un valor de al menos 1,2, mas normalmente al menos en 1.25, la cantidad de sulfato en el agua tratada era significativamente inferior en comparacion con cuando sea aluminato de sodio disponible en el comercio.
Segun la invencion, la temperatura en la etapa de preparacion de aluminato de sodio se mantiene en al menos 90 °C y el relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 se mantiene en un valor de al menos 1,2, normalmente la temperatura se mantiene en al menos 95 °C y la relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 se mantiene en un valor de al menos 1,25. Segun una realizacion de la invencion, la temperatura en la etapa de preparacion de aluminato de sodio se mantiene en el intervalo de 90-180 °C y la relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 esta en el intervalo de 1,2-2,0, normalmente en el intervalo de 1,2-1,5, mas normalmente la temperatura esta en el intervalo de 90-105 °C y la relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 esta en el intervalo de 1,2-1,4, todavfa mas normalmente la temperatura esta en el intervalo de 95 105 °C y la relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 esta en el intervalo de 1,25-1,40.
Normalmente se proporciona calor en la etapa de preparacion de aluminato de sodio de cualquier manera conocida en la tecnica.
Cuando el aluminato de sodio se prepara segun la presente invencion, la cantidad de Al(OH)3 sin reaccionar es normalmente menor que 10% en la solucion de aluminato de sodio. Mas normalmente, cuando la temperatura la reaccion del aluminato de sodio es de al menos 95 °C y la relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 es de al menos 1,25 la cantidad de Al(OH)3 sin reaccionar es normalmente un valor bajo de 3,5%. Incluso aunque el aluminato de sodio contenga algo de Al(OH)3 sin reaccionar, se encontro sorprendentemente que esto no afecta a la reaccion de precipitacion de etringita en la etapa posterior. Por tanto, no es necesaria una etapa de filtracion separada antes de
que la solucion de aluminato de sodio pueda ser alimentada a la etapa de precipitacion de etringita.
El tiempo de retencion de la etapa de preparacion de aluminato de sodio es normalmente de 15 minutos a 120 minutos, normalmente 30 a 90 minutos.
Una ventaja adicional conseguida mediante el metodo de la presente invencion. Es que en la preparacion de aluminato de sodio la cantidad de sodio usada puede ser facilmente controlada, por tanto, el aluminato de sodio puede ser preparado usando la cantidad mas baja posible de sodio necesaria en la reaccion.
Despues de la preparacion del aluminato de sodio puede ser usado directamente en la etapa de precipitacion de etringita o, opcionalmente puede ser almacenado de cualquier forma adecuada durante hasta 7 dfas. Normalmente el aluminato de sodio es almacenado menos de 24 horas antes de ser usado en la etapa de precipitacion de etringita. Si el aluminato de sodio preparado se usa en la etapa de precipitacion de etringita dentro de los 7 dfas desde de su preparacion, la reactividad del aluminato de sodio esta todavfa a un nivel adecuado. Despues de esto, el hidroxido de aluminio comienza a separarse por precipitacion a partir de la solucion de aluminato de sodio, disminuyendo asf los resultados de la reaccion de precipitacion de etringita en la etapa de precipitacion de etringita. Despues de la preparacion del aluminato de sodio, y del almacenamiento opcional, la solucion de aluminato de sodio se diluye hasta una concentracion adecuada. La dilucion se realiza normalmente anadiendo agua a la solucion de aluminato de sodio. Normalmente, la solucion de aluminato de sodio usada en la etapa de precipitacion de etringita comprende 10 a 12,5% en peso de aluminio, mas normalmente 10,5 a 12,0 % en peso.
En la etapa de precipitacion de etringita, el sulfato residual contenido en el lodo es precipitado con aluminato de sodio, como se presento anteriormente, hasta un nivel deseado. Los niveles mas bajos que se pueden conseguir son de 10 mg/l de sulfato. Sera posible tambien precipitar otros sulfatos, como sulfatos de sodio y potasio a partir del agua en la etapa de precipitacion de etringita. El sulfato es precipitado como etringita anadiendo el aluminato de sodio obtenido y compuesto de calcio, normalmente a un pH de 10,5 a 12,5.
La etringita es precipitada segun la siguiente ecuacion:
2 Al3+ 6 Ca2+ 3 SO42- 34 H2O ^ CaaAl2(SO4 )3(OH)-i2 * 26 H2 O 4 H+ (1)
Segun una realizacion de la invencion, el tiempo de retencion en la etapa de precipitacion de etringita es normalmente de 10 a 60 minutos, mas normalmente De 15 a 30 minutos.
Segun una realizacion de la invencion en la etapa de precipitacion de etringita, la relacion en moles de AP+/SO42-normalmente es de aproximadamente 2:3 a 1:1.
Segun una realizacion de la invencion, la separacion solido-lfquido se realiza mediante sedimentacion, filtracion, clarificacion, decantacion o usando un hidrociclon y/o usando una flotacion de aire disuelto. El clarificador puede ser, por ejemplo, un clarificador redondo convencional con una alimentacion optimizada bien disenada o un tipo de clarificador de laminillas. El filtro se selecciona normalmente en la gama de filtros de prensa (filtros de prensa verticales u horizontales), pero tambien los filtros de cinta pueden ser considerados.
La composicion de los solidos depende de la composicion del agua de alimentacion. Segun una realizacion de la invencion, los solidos separados en la primera etapa de separacion comprenden etringita, opcionalmente yeso y opcionalmente carbonato de calcio, hidroxidos metalicos y otros componentes inertes presentes en los materiales de alimentacion para el metodo. La presencia de yeso en los solidos separados en la primera etapa de separacion depende de si ha estado presente una etapa adicional de separacion de yeso. Los solidos formados en la etapa de precipitacion de yeso comprenden normalmente metales en forma de hidroxidos, como metales pesados en forma de hidroxidos y yeso. Por ejemplo, el cobre y otros metales solubles presentes en la alimentacion precipitan normalmente como los hidroxidos correspondientes ya en la etapa de precipitacion yeso Los solidos separados en la primera etapa de separacion pueden ser arrojados en vertedero. Los solidos de yeso y etringita son ventajosamente apilados en una unica zona de apilamiento ya que el yeso actua como un compuesto estabilizador para etringita. Segun una realizacion de la invencion, una parte o la totalidad de los solidos separados en la primera etapa de separacion son reciclados a una etapa de precipitacion de yeso opcional y/o la etapa de precipitacion de etringita. El reciclado del flujo inferior, es decir, los solidos de la primera etapa de separacion, es el denominado reciclado de semillas. Haciendo esto, el tamano de partfculas del precipitado se hace mayor y esto proporciona un lodo que es mas facil de sedimentar, dicho de otro modo, un lodo a partir del cual es mas facil separar los solidos.
En la etapa de neutralizacion, la primera solucion se pone en contacto con un agente de carbonatacion para neutralizar la primera solucion y precipitar el calcio contenido en la primera solucion en forma de carbonato de calcio. Normalmente el agente de carbonatacion es cualquier agente de carbonatacion adecuado, como CO2 , carbonato de sodio o bicarbonato de sodio. Mas normalmente el agente de carbonatacion es CO2. La etapa de neutralizacion se realiza normalmente disminuyendo el pH y precipitando calcio en forma de carbonato de calcio (CaCO3 ) anadiendo CO2 a la primera solucion. Si es necesario disminuir adicionalmente la concentracion de calcio (dureza de Ca) se puede anadir hidroxido de sodio (NaOH) u otra corriente alcalina a la etapa del procedimiento, permitiendo asf una
separacion adicional de Ca en forma de CaCO3 anadiendo alcalinidad y evitando que el pH disminuya hasta la zona desfavorable para la precipitacion de CaCO3 , por debajo de pH 8 a 9. El tiempo de retencion en la etapa de neutralizacion es normalmente de 5 a 15 minutos.
Segun una realizacion de la invencion, en la etapa de neutralizacion la primera solucion se pone en contacto con un alcali, como hidroxido de sodio, para aumentar la precipitacion de calcio en forma de carbonato de calcio. El dioxido de carbono es usado para neutralizar la solucion y para suprimir la dureza de calcio de la solucion. Las reacciones de neutralizacion y la precipitacion de calcio para la neutralizacion con CO2 se pueden resumir por medio de las siguientes ecuaciones:
CO2 + H2O ^ CO32- 2 H+ (2 )
CO32- Ca2+ ^ CaCO3 (3)
H+ OH- ^ H2O (4)
La etringita y el yeso opcional se separaron antes de la etapa de neutralizacion, ya que la disminucion del pH aumenta la solubilidad de la etringita precipitada. Es posible reciclar los solidos de carbonato de calcio al comienzo del procedimiento para ser usados como agente neutralizacion para las aguas residuales acidas que van a ser tratadas. El carbonato de calcio puede ser usado tambien para producir una capacidad tamponante alcalina para de los residuos de yeso y etringita.
La segunda etapa de separacion se puede realizar mediante una separacion solido-lfquido racion, por ejemplo, como se establecio con anterioridad.
El contenido de calcio del agua residual se reduce hasta el nivel deseado. Ejemplos de contenido de calcio en el agua residual pueden ser por debajo de 1 0 mg/l.
Antes de la etapa de preparacion de aluminato de sodio y/o la etapa de precipitacion de etringita, el metodo puede comprender tambien una etapa opcional de precipitacion de yeso, en la que el agua residual se pone en contacto con un compuesto de calcio para producir un lodo que contiene yeso. Opcionalmente el yeso formado puede ser separado del lodo antes de ser alimentado a la etapa de precipitacion de etringita.
Segun una realizacion de la invencion, el compuesto de calcio usado en la etapa de precipitacion de yeso y/o en la etapa de precipitacion de etringita se selecciona independientemente entre el grupo que consiste en hidroxido de calcio, oxido de calcio, carbonato de calcio y cualesquiera mezclas de los mismos.
Normalmente, el compuesto de calcio en la etapa de precipitacion de yeso es hidroxido de calcio, que permite la separacion de sulfatos solubles dependiendo de las solubilidades dependientes del pH de los contraiones, especialmente K, Na y Ca, de las especies de sulfatos solubles. El sulfato y las impurezas metalicas de la solucion normalmente precipitaran segun la siguiente ecuacion:
SO42- Ca(OH)2 + Me+/ Me2+/ Me3+ ^ MeOH/ Me(OH)2/ Me(OH)3 + CaSO4 (5)
en la que Me es un metal.
Segun una realizacion de la invencion, la etapa de precipitacion de etringita se puede realizar en el lodo que contiene yeso, es decir, sin una etapa opcional de separacion de yeso. La etringita tiene una tendencia a disolverse a un pH por debajo de 10. Segun una realizacion de la invencion, el contenido de yeso en el lodo puede estabilizar los solidos y evitar la lixiviacion de la etringita durante el deshecho en vertederos, razon por la cual a veces es factible llevar a cabo la precipitacion de etringita en el lodo que contiene yeso. Una ventaja de esto es que el precipitado que sedimenta se consigue mas facilmente y, ademas, forma un precipitado mas compacto y de baja humedad durante la filtracion.
El metodo de la presente invencion se puede llevar a cabo en un aparato para separar sulfato, mas normalmente para separar sulfato, calcio y/u otros metales solubles del agua residual, aparato que comprende:
a) una unidad de preparacion de aluminato de sodio, que esta adaptada para preparar aluminato de sodio poniendo en contacto NaoH y Al(OH)3 a una temperatura de 90-180 °C y una relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 de 1,2-2,0, b) una unidad de precipitacion de etringita, que esta adaptada para producir un lodo que contienen etringita poniendo en contacto el agua residual con el aluminato de sodio obtenido y un primer compuesto de calcio, c) una primera unidad de separacion, que esta adaptada para producir una primera solucion realizando una separacion solido-lfquido del lodo que contiene etringita separando solidos del lfquido,
d) una unidad de neutralizacion, que esta adaptada para neutralizar la primera solucion poniendo en contacto la primera solucion con un agente de carbonatacion y precipitando asf el calcio contenido en la primera solucion en forma de carbonato de calcio, y
e) una segunda unidad de separacion, que esta adaptada para realizar una separacion solido-Kquido separando el carbonato de calcio precipitado de la primera solucion y obteniendose as âgua que tiene un contenido reducido de sulfato, calcio y/u otros metales solubles.
El aparato comprende medios para realizar las etapas del metodo anteriormente presentado.
El aparato comprende un deposito de almacenamiento para almacenar el aluminato de sodio antes de que sea usado en la unidad de precipitacion de etringita.
El aparato comprende una unidad de precipitacion de yeso a') antes de la unidad de precipitacion de etringita b), en que la unidad de precipitacion de yeso esta adaptada para poner en contacto el agua residual con un segundo compuesto de calcio para precipitar yeso.
El aparato comprende adicionalmente, una unidad de separacion de yeso a”) entre la unidad de precipitacion de yeso a') y la unidad de precipitacion de etringita b). La unidad de separacion de yeso esta adaptada para realizar una separacion solido-lfquido para separar el yeso precipitado a partir del lodo. Normalmente, la unidad de separacion de yeso es un clarificador. Normalmente se usan floculantes para ayudar a la sedimentacion de los precipitados en el clarificador.
Normalmente, la unidad de precipitacion de yeso comprende un deposito de reactor agitado y las entradas y salidas necesarias para proporcionar y recuperarlas corrientes del procedimiento.
Normalmente, la unidad de precipitacion de etringita comprende tambien un deposito de reactor agitado y las entradas y salidas necesarias para proporcionar y recuperar las corrientes del procedimiento.
Las primera y segunda unidades de separacion comprenden normalmente cualquier instalacion adecuada para separar solidos del lfquido, como un dispositivo de sedimentacion, un filtro, un clarificador, un clarificador de laminillas, un hidrociclon, un decantador o DAF (flotacion de aire disuelto). Se pueden usar Una o mas de estas instalaciones en cualquier combinacion si es necesario. Normalmente, las unidades de separacion comprenden un clarificador, como un clarificador redondo convencional con un diseno de bien optimizado de la alimentacion seguido de una unidad de filtracion para deshidratar adicionalmente el flujo inferior del clarificador producido.
La unidad de neutralizacion comprende normalmente una vasija de carbonatacion o un reactor de deposito agitado. Lista de numeros de referencia
2 agua del procedimiento
4 segundo compuesto de calcio
6 etapa de precipitacion de yeso
9 primer compuesto de calcio
10 etapa de precipitacion etringita
12 primera etapa de separacion solido-lfquido
14 floculante
13 flujo inferior
16 filtro
18 agua de filtracion
20 producto solido
22 reciclado solido
24 agente de carbonatacion
26 etapa de neutralizacion
28 segunda separacion solido-lfquido
30 reciclado solido
32 agua tratada
100 etapa de preparacion de aluminato de sodio
101 hidroxido de sodio (NaOH)
102 hidroxido de aluminio (Al(OH)3 )
103 calor
Haciendo referencia a la figura 1, en el agua del metodo que va a ser tratada, es decir, el agua 2 del procedimiento, puede ser opcionalmente alimentada a una etapa 6 de precipitacion de yeso (mostrada con una lmea discontinua), que normalmente es un reactor de yeso. Si esta presente la etapa 6 de precipitacion de yeso, es alimentado tambien un segundo compuesto de calcio 4, normalmente cal lechosa (hidroxido de calcio) al reactor de yeso, precipitando asf yeso. Se forma un lodo que contiene yeso y el lodo puede ser alimentado a una etapa 10 de precipitacion de etringita, que normalmente es un reactor de etringita. El yeso formado puede ser tambien separado del lodo antes de alimentar el agua a la etapa de precipitacion de etringita. La etapa opcional de separacion de yeso no se muestra en la figura. Si la etapa de precipitacion de yeso no esta presente, el agua 2 del procedimiento, es decir, el agua residual que va a ser tratada, es alimentada directamente a la etapa 10 de precipitacion de etringita.
Se alimentaron hidroxido de sodio (NaOH) 101 e hidroxido de aluminio (Al(OH)3 ) 102 a la etapa 100 de preparacion de aluminato de sodio, en la que se ponen en contacto, normalmente en un reactor calefactable que comprende medios para mezclar. Se proporciona tambien calor 103 a la etapa 100 de precipitacion de aluminato de sodio. La temperatura del reactor se mantiene en al menos 90 °C y la relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 es de al menos 1,2. Se forma aluminato de sodio y es alimentado directamente a la etapa de precipitacion de etringita o se almacena, posiblemente en un deposito de almacenamiento provisional (no mostrado en la figura) durante hasta 7 dfas.
El aluminato de sodio formado y el primer compuesto 9 de calcio, normalmente hidroxido de calcio, son alimentados a la etapa 10 de precipitacion de etringita produciendo asf un segundo lodo que contiene etringita y, opcionalmente, yeso si ha estado presente la etapa de precipitacion del yeso y el yeso precipitado tiene no ha sido separado. El segundo lodo es sometido a una primera etapa 12 de separacion solido-lfquido, que se realiza normalmente por medio de un clarificador. Puede ser alimentado tambien un floculante 14 al clarificador. A partir de la primera etapa 12 de separacion solido-lfquido, el flujo inferior 13 es alimentado a un filtro 16 y/o nuevamente a la etapa 10 de precipitacion de etringita y/o a la etapa 6 opcional de precipitacion de yeso en forma de semillas en un reciclado solido 22. En la etapa 16 de filtracion, el flujo inferior es filtrado, produciendo asf un producto solido 20 que contiene yeso, etringita y metales solubles en forma precipitada y agua 18 de filtracion. El agua 18 de filtracion es nuevamente trasladada a la primera etapa 12. de separacion solido-lfquido. El flujo inferior de la primera etapa 12 de separacion solido-lfquido es trasladado a una etapa 26 de neutralizacion, que se realiza normalmente en un reactor de neutralizacion. Un agente de carbonatacion, normalmente dioxido de carbono 24, es alimentado a la etapa 26 de neutralizacion, neutralizando asf la solucion y precipitando el calcio contenido en la solucion en forma de carbonato de calcio. Se puede lograr una separacion adicional de calcio anadiendo opcionalmente un alcali a la etapa de neutralizacion, normalmente el alcali es hidroxido de sodio. La solucion de la etapa de neutralizacion es trasladada a una segunda etapa 28 de separacion solido-lfquido en la que el carbonato de calcio precipitado es separado del agua, produciendo asf agua tratada 32. Los solidos obtenidos en la segunda etapa de separacion solido-lfquido pueden ser opcionalmente trasladados a una etapa 6 de precipitacion de yeso y usados en forma de un solido reciclado 30 y/o a la etapa 10 de precipitacion de etringita.
Ejemplos
Experimentos para la preparacion de aluminato de sodio
Se hizo un conjunto de experimentos con el fin de investigar la preparacion de aluminato de sodio. Se hicieron variar dos variables principales, la relacion en moles de NaOH:Al(oH)3 (de 1 a 1,5, en que > 1 indica relaciones sobreestequiometricas) y la temperatura de reaccion (desde 70 a 120 °C). Debido al punto de ebullicion elevado de la solucion de hidroxido de sodio, fue posible hacer experimentos a presion atmosferica
Tabla 1. Ajuste experimental
Experimented
Se calento en primer lugar hidroxido de sodio (solucion al 50%, calidad tecnica) hasta 50 °C. se anadio Al(OH)3. Despues de dosificar el polvo de Al(OH)3 , la mezcla se calento hasta la temperatura de reaccion indicada en la tabla 1. Se ensayaron temperatures de 70 °C, 95 °C, 107 °C o 120 °C. La mezcla se mantuvo a la temperatura de reaccion durante 60 minutos.
La mezcla se enfrio en primer lugar hasta 90 °C (en el caso de que la temperatura de reaccion fuera mayor que 90 °C) y despues de eso se anadio el agua de dilucion con el fin de fijar la concentracion total de aluminio a 11,9% en peso de Al en todos los experimentos a partir de los ej. 1-ej. 8.
Resultados
Despues de que la solucion de aluminato de sodio se enfrio, se analizo la cantidad de solido residual mediante analisis de difraccion de rayos X (XDR) del solido residual.
Se encontro que si la relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 era menor que 1,25, la cantidad de solidos residuales sin reaccionar aumenta significativamente; relacion en moles de 1,25 produjo solidos residuales a 3,2 g/l en comparacion con la relacion en moles de 1,00 que produjo solidos residuales a 203,9 g/l, cuando la temperatura de la reaccion era de 120 °C. Los resultados se muestran en la figura 2, que es un grafico de contornos de los solidos residuales [g/I] despues de la reaccion como una funcion de la temperatura de la reaccion y relacion en moles de NaOH:Al(OH)3.
Los solidos residuales de experimentos diferentes se analizaron mediante XRD. En todos los casos, los solidos residuales eran 100% de Al(OH)3 , por lo que no se desarrollaron productos de reaccion insolubles durante la produccion de aluminato de sodio, y los solidos residuales fueron realmente Al(OH)3 sin reaccionar.
Tabla 3. Solidos de ensayos de separacion de sulfato y resultado de analisis de XRD
Se encontro que las condiciones de reaccion mas adecuadas eran T > 90 °C, preferentemente T > 95 °C y relacion en moles NaOH:Al(OH)3 > 1,2, preferentemente > 1,25.
La estabilidad de las muestras de aluminato de sodio se siguio durante 7 dfas. Se encontro que el aluminato de sodio que es apropiadamente producido puede ser almacenado durante hasta 7 si es necesario.
Ensayo de aluminatos de sodio desarrollados en la precipitacion de etringita
Se produjo agua residual de sulfato sintetica neutralizando una solucion de H2 SO4 (6,17 ml de H2 SO4 al 98% en 7 l de agua) con 60 ml de Ca(OH)2-suspension (300 g/l). Despues de la neutralizacion, se analizo la concentracion de SO4 de la solucion (filtrada con filtro de 0,45 pm). La concentracion de sulfato del agua residual era de 1550 mg/l. La precipitacion de etringita se hizo anadiendo 9,25 ml de solucion sin filtrar de aluminato de sodio al agua residual
de sulfato. La dosificacion de aluminato de sodio se calculo de forma que el nivel de sulfato residual fuera de 250 mg/l. El tiempo de reaccion fue de 30 min. Despues de la reaccion se tomo una muestra y se analizo el sulfato residual. Los resultados se muestran en la tabla 4. Se puede observar que cuando el aluminato de sodio se produce en las condiciones en que permanece tan poco Al(oH )3 residual como sea posible en la solucion de aluminato de sodio (es decir, una concentracion superior de Al soluble en el aluminato de sodio) despues de la reaccion, se obtiene tambien un mejor rendimiento en la precipitacion de etringita. Se puede observar tambien que el Al(OH)3 sin reaccionar en la solucion de aluminato de sodio no reacciona en la precipitacion de etringita como sena de esperar. Por otra parte, cualesquiera residuos menores que permanezcan de Al(OH)3 no interfieren con la precipitacion de etringita, lo que significa que no es necesaria una filtracion.
Tabla 4. Solidos de ensayos de separacion de sulfatos y resultado de analisis de XRD
Ejemplo: Separacion de sulfato a partir de agua residual industrial real
Los analisis del agua residual original se muestran en la tabla 5 siguiente. La muestra se toma despues del primer procedimiento de neutralizacion, es decir, la precipitacion con yeso.
Tabla 5. Analisis de las muestras de aguas residuales.
Antes del procedimiento de precipitacion de etringita, parte del sulfato precipito en primer lugar en forma de yeso con el CaO-suspension.
La precipitacion de yeso se hizo con el CaO. Despues del ajuste de la precipitacion yeso, la tanda se filtro y el filtrado seguidamente se llevo a la precipitacion de etringita.
En la tabla 6 siguiente se muestra los analisis del agua residual inicial y el filtrado que va a la precipitacion de etringita.
Tabla 6. Analisis del agua residual inicial y analisis del filtrado despues de la precipitacion de yeso
Precipitacion de etringita
Se hicieron experimented de precipitacion de etringita con tres Productos qmmicos de Al diferentes: Al(OH)3-suspension (200 g/I), aluminato de sodio de Outotec y con aluminato de sodio comercial. Se usaron tres dosificaciones diferentes para cada producto qmmico de Al.
En primer lugar se midieron 3 l del agua residual de la precipitacion de yeso y se anadio el CaO necesario para la precipitacion de etringita (27 ml de 200 g CaO/l de suspension). El CaO-suspension y el agua residual se mezclaron durante 30 minutos antes de la dosificacion del producto qmmico de aluminio. Se dosifico el producto qmmico de aluminio y despues de eso se continuo la mezcla durante 30 minutos.
Los resultados de los experimentos de precipitacion de etringita se muestran en las figuras 3-5. La diana para el sulfato residual despues de la precipitacion de etringita es de 250 mg de SO4/I. Se puede observar que en un tiempo de reaccion 15 minutos, 30 minutos o 60 minutos el Al(OH)3 no habfa separado cualquiera de los sulfatos. Con Al(OH)3 habna sido necesario un tiempo de reaccion mucho mas prolongado.
Los experimentos hechos con dos aluminatos de sodio diferentes muestran que la precipitacion de etringita con aluminato de sodio es muy rapida. La reaccion de precipitacion esta terminada en 15-30 minutos. Un descubrimiento interesante es que el consumo de aluminato de sodio in situ de Outotec es mas pequeno que con aluminato de sodio comercial. Los productos de aluminato de sodio comerciales son estabilizados con, por ejemplo, acidos organicos (acido tartarico, acido gluconico, etc.) para proporcionarles una vida en almacenamiento mas prolongada. Si no se usan agentes estabilizantes, el Al(OH)3 se separa por precipitacion de la solucion de aluminato de sodio. Esta claro que estos agentes estabilizantes interfieren con la precipitacion de etringita y, por lo tanto, es necesaria una dosificacion superior con el fin de obtener el mismo efecto que con el aluminato de sodio in situ de Outotec no estabilizado. A partir de los resultados, se puede observar que con el aluminato de Na in situ de Outotec, la relacion en moles de AI/SO4 necesaria (es decir, la relacion en moles de dosificacion de Al respecto a SO4 en el agua residual) sena de 0,60 y con aluminato de Na comercial la relacion necesaria sena de 0,66. Este descubrimiento proporciona un beneficio adicional a la produccion de aluminato de sodio in situ de Outotec.
El Al y el Na residuales despues de la precipitacion de etringita se muestran en la figura 6 y 7. Se puede ver que cuando se usa aluminato de sodio in situ de Outotec, el Al y el Na residuales (ambos relacionados con el uso de aluminato de sodio) son mas pequenos que en el caso del aluminato de sodio comercial. Esto se debe al hecho de que es necesario usar menos producto de Outotec para el mismo nivel de separacion de SO4 y, como el producto de Outotec no contiene agentes estabilizantes, se puede utilizar completamente el aluminio. En el caso de aluminato de sodio comercial, los agentes estabilizantes evitan que parte del aluminio precipite como etringita y, por lo tanto, parte del aluminio permanece como Al soluble en la solucion.
Los analisis del agua residual en diferentes etapas del tratamiento se muestran en la tabla 7. Se puede observar que la relacion en moles de AI/SO4 de 0,609 es mas que suficiente para conseguir el nivel diana de SO4 residual cuando se usa aluminato de sodio in situ de Outotec. Con aluminato de sodio comercial, la relacion es necesario que sea de aproximadamente 0,66 para alcanzar el nivel de SO4 residual diana.
Tabla 7. Analisis del agua residual inicial (pH 7,5) despues de la precipitacion de yeso (pH 10,5) y despues de la precipitacion de etringita
El trabajo de ensayo presentado mostro que el Al(OH)3 comercial no es suficientemente reactivo con el agua residual que contiene sulfato y el tiempo de reaccion de 60 minutos no es suficiente para conseguir cualquier efecto a partir de Al(OH)3.
Cuando se compararon el aluminato de sodio in situ de Outotec y el aluminato de sodio comercial, se llego a la conclusion de que el aluminato de sodio in situ de Outotec es mas reactivo en la precipitacion de etringita. Lo mas probablemente, los agentes estabilizantes utilizados en los productos de aluminato de sodio comerciales interfieren con la precipitacion de la sal de etringita. Con el aluminato de sodio de Outotec, la relacion en moles de Al/SO4 inicial necesaria para un nivel de sulfato residual diana de 250 mg/I fue de 0,6. Con aluminato de Na comercial, la relacion en moles para alcanzar el mismo nivel de sulfato residual fue de aproximadamente 0,66.
Se aprecio tambien que con el aluminato de sodio comercial permanece algo de aluminio soluble en el agua tratada despues de la precipitacion de etringita. Con el aluminato de sodio de Outotec, el aluminio soluble residual estuvo por debajo del lfmite de deteccion ICP (<0,1 mg/l). Se pudo observar lo mismo en el contenido de sodio residual; con aluminato de sodio de Outotec, el sodio residual fue mas pequeno que cuando se uso aluminato de sodio comercial. Sera obvio para un experto en la tecnica que, a medida que avanza la tecnologfa, el concepto inventivo puede ser puesto en practica de diversas formas. La invencion y sus realizaciones no estan limitadas a los ejemplos anteriormente descritos, sino que pueden variar dentro del alcance de las reivindicaciones.
Claims (13)
1. Un metodo para separar sulfato, calcio y otros metales solubles a partir de agua residual que contiene sulfato, que comprende
a) una etapa de preparacion de aluminato de sodio in situ, en el que se ponen en contacto NaOH y Al(OH)3 a una temperature de 90 °C-180 °C y una relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 de 1,2-2,0, para preparar aluminato de sodio, b) una etapa de precipitacion de etringita, en la que el agua residual se pone en contacto con el aluminato de sodio obtenido in situ y un primer compuesto de calcio, dentro de los 7 dfas de la preparacion del aluminato de sodio obtenido in situ, para producir un lodo que contiene etringita,
c) una primera etapa de separacion, en la que se realiza una separacion solido-lfquido para el lodo que contiene etringita, para separar solidos del lfquido, produciendo asf una primera solucion,
d) una etapa de neutralizacion, en la que la primera solucion se pone en contacto con un agente de carbonatacion para neutralizar la primera solucion y precipitar el calcio contenido en la primera solucion en forma de carbonato de calcio, y
e) una segunda etapa de separacion en la que se realiza una separacion solido-lfquido para separar carbonato de calcio precipitado de la primera solucion con el fin de obtener agua que tiene un contenido reducido de sulfato, calcio y otros solubles.
2. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que la temperatura en la etapa de preparacion de aluminato de sodio se mantiene en al menos 95 °C y/o en que la relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 se mantiene en un valor de al menos 1,25.
3. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la temperatura en la etapa de preparacion de aluminato de sodio se mantiene en el intervalo de 90-105 °C, mas normalmente 95-105 °C y/o en el que en la etapa de preparacion de aluminato de sodio, la relacion en moles de NaOH:Al(OH)3 esta en el intervalo de 1,2-1,5, mas normalmente 1,2-1,4, todavfa mas normalmente 1,25-1,4.
4. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en que el agua residual es agua del procedimiento, vertidos o agua que contiene sulfato, como agua de minena, agua reciclada de un concentrador o el agua de deshecho de un concentrador.
5. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en que el metodo comprende una etapa a') de precipitacion de yeso antes de la etapa b) precipitacion de etringita, en cuya etapa a') de precipitacion de yeso el agua que va a ser tratada se pone en contacto con un segundo compuesto de calcio para precipitar yeso y, opcionalmente, en que la etapa a') de precipitacion de yeso esta seguida de una etapa a") de separacion de yeso, en que la separacion solido-lfquido se realiza para separar el yeso precipitado a partir del yeso formado.
6. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer compuesto de calcio y el segundo compuesto de calcio se seleccionan de forma independiente entre el grupo que consiste en hidroxido de calcio, oxido de calcio, carbonato de calcio y una mezcla de los mismos.
7. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el tiempo de retencion en la etapa de precipitacion de etringita es de 10 a 60 minutos, normalmente de 15 a 30 minutos.
8. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que en la etapa de precipitacion de etringita la relacion en moles de Al3+/SO42-es aproximadamente de 2:3 a 1:1.
9. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la separacion solido-lfquido se realiza mediante sedimentacion, filtracion, clarificacion, decantacion, usando un hidrociclon y/o usando flotacion de aire disuelto.
10. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los solidos separados en la primera etapa de separacion comprenden etringita y opcionalmente yeso, carbonato de calcio, hidroxidos metalicos y otros componentes inertes presentes en los materiales de alimentacion para el metodo.
11. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que parte o la totalidad de los solidos separados en la primera etapa de separacion son nuevamente reciclados a la etapa de precipitacion de yeso y/o a la etapa de precipitacion de etringita.
12. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, en la etapa de neutralizacion, el agente de carbonatacion se selecciona entre el grupo que consiste en CO2 , bicarbonato de sodio y carbonato de sodio.
13. El metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que, en la etapa de neutralizacion, la primera solucion se pone en contacto con un alcali como hidroxido de sodio, para aumentar la precipitacion de calcio.
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