WO2009022039A1 - Procedimiento de eliminación de boro en tratamiento de aguas - Google Patents

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Definitions

  • the present invention falls within the field of water treatment and purification, specifically refers to a process for reducing the concentration of boron in water by using clays.
  • Boron is an element widely distributed in the atmosphere, in the lithosphere and in the hydrosphere. Atmospheric boron is mostly in the form of gas and reaches the atmosphere by evaporation of seawater. In the lithosphere, it is found mainly in sedimentary rocks, mainly due to its high affinity for clay minerals. In the hydrosphere, Boron is in the form of boric acid H 3 BO 3 and borate ion H 2 BO 3 " ; the concentration of each of these forms varies depending on the pH, both compounds being in equilibrium at a pH of 8.7 and 8.8.
  • Boron is one of the essential micronutrients that living organisms need to develop.
  • boron is an essential trace element for life and its intake in high concentrations causes alterations in the testicles.
  • exposure to moderate concentrations of Boron causes irritation of the mucous membranes and a decrease in the number of sperm.
  • Boron is an essential trace element for growth, and is involved in fundamental metabolic processes such as the metabolism of phenols and the synthesis of lignin. Boron deficiency inhibits the development of the plant and an excess of this element is toxic to it. The interval between deficiency and toxicity levels is only 1 or 2 ppm, and any oscillation could cause important physiological alterations in the plant.
  • WO9959187 describes a process to eliminate boron and fluoride ions from water, by contacting the water of the power supply, in the presence of magnesium with alkaline hydroxide to produce treated water and a precipitate of magnesium containing boron and fluorine. .
  • US3856670 describes a process for the elimination of water boron, contacting the aqueous solution containing the borate ions with a phenolic anion exchange resin insoluble in aqueous medium, in the presence of at least one cationic species selected from the group of alkaline, alkaline earth, nitrogenous organic bases and ammonium cations.
  • Patent application ES2246705 describes a process for removing borate anion from aqueous media using sugars anchored to an inorganic resin.
  • the ion exchange resin that is used is selective for Boron
  • the limiting factor of the process is the pH of the water, since at pH values lower than 8, the boron in the aqueous phase is in the form of boric acid and there is no exchange of this element with the corresponding resin, Thus, the yield decreases from 95% to 65%.
  • the use of ion exchange resins to eliminate Boron from water is ineffective, since they are too expensive, or are not applicable at low concentrations, or are not sufficiently specific in the presence of other ionic species that interfere and / or organic pollutants
  • the present invention describes a process for the elimination of water Boron by using clays, since due to its high specific surface area, its high porosity and its electrical charge, the claye particles are capable of absorbing water and other polar compounds as well as fixing and exchange cations with the medium. This procedure is simpler, faster and cheaper than those described in the current state of the art.
  • the present invention relates to a procedure for the elimination of Boron in water treatment, which comprises the following steps:
  • a stream of water to be treated is passed through an inlet manifold.
  • This water can reach the treatment in different ways: by gravity or by pumping.
  • the water to be treated can be sweet or salty, as long as they are contaminated with Boron.
  • Water can be found at different pH levels depending on its origin. Regardless of the pH level at the origin of the waters to be treated with Boron content, the water to be treated will be subjected to a conditioning and / or correction of pH by additives of a basic or alkaline nature only when the inlet water has a pH lower than 5.5.
  • the pH in the natural state is approximately 8.2, that is, the Boron is in the form of boric acid. and has a concentration of Boron between 4 and 5 mg / l.
  • a pH of 9.5 Boron begins to transform into a borate ion and only from a pH of 12, 100% of the water boron is in the form of a borate ion.
  • the water to be treated has been conditioned the water is contacted with the expanded clays present in the filter.
  • Said filter can be and without limitation of a concrete, metallic or plastic material tank type, whether open, closed or pressure.
  • the water is brought into contact with the clays, either in the upward direction, that is, from the bottom to the top or in the opposite direction in the downward direction, that is, from the top down.
  • the expanded clays are of a size from 0.2 to 10 mm, the choice of size is a function of the Boron load in the water to be treated., Of density greater than 1.0 kg / liter because lower densities make that the clay floats and with a porosity level greater than 40%.
  • the filtration rates are within the range between 5 and 15 m 3 / hm 2 of filter surface.
  • the height The support of expanded clays housed inside the filter is between 0.5 to 3 meters.
  • the clays used for the removal of Boron from water are any of those described and known in the prior art.
  • the Boron retention process in clays happens in two stages; In a first exothermic stage, the Boron is adsorbed on the external particles of the clay by a mechanism of interchange of ligand with hydroxyl groups, with its consequent migration and incorporation within the tetrahedral places displacing the aluminum and the silicon of the structure through of a second slower endothermic fixation reaction.
  • the water, once it has crossed the clays support, is evacuated by gravity or by pumping.
  • the water already cleaned of boron is extracted, thanks to the action of the clays used in the procedure.
  • a elimination of the Boron present in the water is achieved between 40 and 95%.
  • a cycle of washing of the expanded clays should be carried out, which will be carried out every 24 or 72 hours and / or alternatively by pressure differential.
  • the washing will be carried out with the treated water itself, by means of a pumping system that will drive the water towards the filter in an upward direction, that is, from the bottom up, to achieve a sufficient expansion of the clays that allow the drag of the accumulated excess Boron outside the system.
  • the renewal of clays is not necessary until 20 to 25 years have arrived.
  • the process will be carried out in water purification and regeneration plants.
  • the efficiency of the process described in the present invention is from 40 to 80% of Boron elimination.
  • the seawater is pumped into a contact chamber. Then the water is passed downwards, that is from the top down and / or alternatively upwards, that is, from the bottom up, directly bringing the water into contact. to deal with expanded clays that are housed in a filter.
  • the filtering cycle is carried out at speeds between 4 and 16 m 3 / hm 2 and the height of the clay support is between 0.5 and 3 meters.
  • the expanded clay used is of high porosity, with a large specific surface, of a size between 0.2 and 10 mm and of a density greater than 1.0 kg / liter.

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Abstract

La presente invención se refiere a un procedimiento para Ia reducción de los niveles de Boro en aguas que comprende las etapas de pasar el agua con Boro a través de un colector de entrada, adicionar aditivos de naturaleza básica o alcalina, tratar el agua procedente de Ia etapa anterior con arcillas, sacar el agua procedente de Ia etapa anterior a través de un colector de salida y lavar las arcillas.

Description

Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas
Campo técnico de Ia invención
La presente invención se encuadra en el campo del tratamiento y purificación de aguas, concretamente se refiere a un proceso para Ia reducción de la concentración de boro en aguas mediante Ia utilización de arcillas.
Estado de Ia Técnica
El Boro es un elemento ampliamente distribuido en la atmósfera, en Ia litosfera y en Ia hidrosfera. El boro atmosférico se encuentra mayoritariamente en forma de gas y llega a Ia atmósfera por evaporación del agua marina. En Ia litosfera, se encuentra principalmente en las rocas sedimentarias, debido fundamentalmente a su alta afinidad por los minerales arcillosos. En Ia hidrosfera, el Boro se encuentra en forma de ácido bórico H3BO3 y de ion borato H2BO3 "; Ia concentración de cada una de estas formas varía en función del pH, estando ambos compuestos en equilibrio a un pH de 8,7 y 8,8.
Asimismo, el Boro es uno de los micronutrientes esenciales que los organismos vivos necesitan para desarrollarse. En animales, el boro es un oligoelemento esencial para Ia vida y su ingesta en altas concentraciones provoca alteraciones en los testículos. Además, en humanos, Ia exposición a concentraciones moderadas de Boro produce irritación de las mucosas y una disminución del número de espermatozoides.
En organismos vegetales, el Boro es un elemento traza esencial para el crecimiento, y está implicado en procesos metabólicós fundamentales tales como el metabolismo de fenoles y Ia síntesis de lignina. La deficiencia de Boro inhibe el desarrollo de Ia planta y un exceso de este elemento resulta tóxico para Ia misma. El intervalo entre los niveles de deficiencia y de toxicidad es tan solo de 1 o 2 ppm, y cualquier oscilación podría provocar alteraciones fisiológicas importantes en Ia planta.
Por tanto, considerando Ia importancia del Boro como micronutriente esencial en los organismos y dada Ia importancia actual de Ia conservación del medioambiente y Ia relevancia socioeconómica del sector agroalimentario, es fundamental mantener unos niveles óptimos de Boro en las aguas de regadío, donde un exceso de este elemento puede resultar altamente tóxico para las plantas y para sus consumidores, puesto que el Boro se acumula en plantas, y se encuentra en alimentos, fundamentalmente en frutas y hortalizas.
El exceso de Boro en el agua pliede deberse a los vertidos urbanos, industriales y productos químicos utilizados en Ia agricultura. En aguas potables, Ia presencia de Boro está limitada a 0.5 ppm, mientras que en aguas de regadío, Ia concentración óptima de Boro se encuentra entre 0.3 ppm y 0.75 ppm, para cultivos sensibles se considera limitante una concentración de 1.0 ppm.
Con el propósito de reducir los niveles de Boro en agua se han desarrollado métodos convencionales, como el tratamiento con sales de hierro, sulfato de aluminio y cal. La patente WO9959187 describe un proceso para eliminar los iones de boro y de fluoruro del agua, poniendo en contacto el agua de Ia fuente de alimentación, en presencia de magnesio con hidróxido alcalino para producir agua tratada y un precipitado de magnesio que contiene boro y flúor.
Otro método empleado es el de osmosis inversa, pero resulta ineficaz puesto que los iones borato son capaces de atravesar los poros de las membranas que se utilizan en los sistemas de osmosis inversa.
El método más utilizado para Ia eliminación del Boro son las resinas de intercambio iónico. La patente US3856670 describe un procedimiento para Ia eliminación del Boro del agua, poniendo en contacto Ia solución acuosa que contiene los iones de borato con una resina fenólica de intercambio aniónico insoluble en medio acuoso, en presencia de al menos una especie catiónica seleccionada del grupo de alcalinos, alcalino térreos, bases orgánicas nitrogenadas y cationes de amonio. La solicitud de patente ES2246705 describe un procedimiento para eliminar el anión borato de medios acuosos utilizando azúcares anclados a una resina de tipo inorgánico. En algunos casos, como el descrito en el documento (Nadav, N., Boron renoval from seawater reverse osmosis permeate utilizing selectíve ion exchange resin; Desalinization 124 (1999) 131-135), Ia resina de intercambio iónico que se utiliza es selectiva para el Boro.
En este caso el factor limitante del proceso es el pH del agua, puesto que a valores de pH inferiores a 8, el boro en fase acuosa se encuentra en forma de ácido bórico y no se produce el intercambio de este elemento con Ia resina correspondiente, con Io que el rendimiento disminuye del 95% al 65%. De forma general, Ia utilización de resinas de intercambio iónico para eliminar el Boro del agua resulta ineficaz, puesto que son demasiado caras, o no son aplicables a bajas concentraciones, o no son suficientemente específicas en presencia de otras especies iónicas que interfieran y/o contaminantes orgánicos.
Descripción dé Ia invención
En vista de Io anterior, es necesario llevar a cabo el desarrollo de nuevas técnicas que permitan eliminar el Boro del agua de forma eficaz y sin los inconvenientes que presentan las técnicas utilizadas en Ia actualidad. La presente invención describe un procedimiento para Ia eliminación del Boro del agua mediante el uso de arcillas, puesto que por su alta superficie específica, su alta porosidad y a su carga eléctrica, las partículas arcillosas son capaces de absorber agua y otros compuestos polares así como fijar e intercambiar cationes con el medio. Este procedimiento resulta más sencillo, rápido y económico que los descritos en el estado de Ia técnica actual.
La presente invención se refiere a un procedimiento de eliminación de Boro en el tratamiento de aguas, que comprende las siguientes etapas:
En una primera etapa se hace pasar una corriente de agua a tratar, a través de un colector de entrada. Dicha agua puede llegar al tratamiento de diferentes modos: por gravedad o mediante bombeo.
El agua a tratar puede ser de tipo dulce o salada, siempre y cuando se encuentren contaminadas con Boro.
El agua puede encontrarse a distintos niveles de pH en función de su origen. Independientemente del nivel de pH en origen de las aguas a tratar con contenido en Boro, el agua a tratar se someterá a un acondicionamiento y/o corrección de pH mediante aditivos de naturaleza básica o alcalina solo cuando el agua de entrada tenga un pH inferior a 5,5.
En el caso de que se trate mediante el procedimiento descrito en Ia presente invención, agua de mar, el pH en estado natural es de aproximadamente 8,2, es decir, el Boro se encuentra en forma de ácido bórico. y tiene una concentración de Boro entre 4 y 5 mg/l. A un pH de 9.5 el Boro comienza a transformarse en ion borato y solamente a partir de un pH de 12, el 100% del Boro del agua se encuentra en forma de ion borato.
Una vez el agua a tratar ha sido acondicionada el agua se pone en contacto con las arcillas expandidas presentes en el filtro.
Dicho filtro puede ser y sin sentido limitativo de tipo tanque de hormigón, metálico o de material plástico, ya sean abiertos, cerrados o de presión.
El agua se pone en contacto con las arcillas, ya sea en dirección ascendente, es decir, desde abajo a arriba o por el contrario en dirección descendente, es decir, desde arriba hacia abajo.
Las arcillas expandidas son de un tamaño desde 0,2 a 10 mm, Ia elección del tamaño va en función de Ia carga de Boro en el agua a tratar., de densidad superior a 1 ,0 kg/litro debido a que densidades inferiores hacen que Ia arcilla flote y con un nivel de porosidad superior al 40%. Por otra parte las velocidades de filtración están comprendidas dentro del rango entre 5 y 15 m3/h m2 de superficie de filtro. La altura del soporte de arcillas expandidas alojadas en el interior del filtro está comprendida entre 0,5 a 3 metros.
Se produce una adsorción del Boro a las arcillas con Io que Ia concentración de Boro del agua disminuye.
Preferentemente, las arcillas utilizadas para Ia eliminación de Boro del agua son cualquiera de las descritas y conocidas en el Estado de Ia Técnica Anterior.
El proceso de retención del Boro en arcillas sucede en dos etapas; en una primera etapa exotérmica, el Boro es adsorbido sobre las partículas externas de Ia arcilla por un mecanismo de intercambio de ligando con grupos hidroxilos, con su consiguiente migración e incorporación dentro de los lugares tetrahedrales desplazando al aluminio y al silicio de Ia estructura a través de una segunda reacción endotérmica más lenta de fijación.
El agua, una vez ha atravesado el soporte de arcillas, es evacuada por gravedad o mediante bombeo.
En una cuarta etapa, se extrae el agua ya limpia de boro, gracias a Ia acción de las, arcillas utilizadas en el procedimiento. De esta manera, mediante el procedimiento descrito en Ia presente invención, se consigue una eliminación del Boro presente en el agua de entre un 40 a un 95%.
En una quinta etapa del procedimiento de eliminación de Boro se debe proceder a efectuar un ciclo de lavado de las arcillas expandidas, que se realizará cada 24 o 72 horas y/o alternativamente por diferencial de presión. El lavado se realizará con Ia propia agua tratada, mediante un sistema de bombeo que impulsará el agua hacia el filtro en sentido ascendente, es decir, desde abajo hacia arriba, para conseguir una expansión suficiente de las arcillas que permitan el arrastre del Boro excedente acumulado al exterior del sistema.
La renovación de las arcillas no es necesaria hasta llegados 20 a 25 años. Preferentemente, el proceso se llevará a cabo en plantas de potabilización y regeneración de aguas.
La eficiencia del proceso descrito en Ia presente invención, es del 40 al 80% de eliminación de Boro.
De esta manera, se consigue que el procedimiento descrito tenga, además de Ia eliminación del Boro, otra serie de ventajas: - Se reduce Ia turbidez del agua hasta valores por debajo de 1 NTU (unidad de turbidez nefelométricas).
- Se elimina materia orgánica e inorgánica de origen biodegradable, Ia materia orgánica queda retenida en los filtros por un proceso de filtración biológica, con Io que se produce un consumo de oxígeno presente en él agua a Ia vez que una reducción de TOC (Carbón Orgánico Total).
Modo de realización
Se bombea el agua de mar a una cámara de contacto A continuación se hace pasar el agua en sentido descendente, es decir de arriba hacia abajo y/o alternativamente en sentido ascendente, es decir, de abajo hacia arriba, poniendo en contacto directo el agua a tratar con las arcillas expandidas que se encuentran alojadas en un filtro. El ciclo de filtrado se realiza a velocidades comprendidas entre 4 y 16 m3/h-m2 y Ia altura del soporte de arcillas está comprendida entre 0,5 y 3 metros. La arcilla expandida empleada es de alta porosidad, con una gran superficie específica, de tamaño comprendido entre 0,2 y 10 mm y de densidad superior a 1 ,0 kg/litro.
Tras el proceso de filtrado el agua libre de Boro se descarga en un depósito de agua tratada para su posterior uso. Una vez finalizado el ciclo de filtrado del agua, se procede al lavado del filtro de arcillas expandidas. Para efectuarlo, se bombea Ia propia agua tratada en sentido ascendente, es decir, de abajo hacia arriba, provocando una ligera expansión del soporte de arcillas para conseguir extraer, evacuar, el exceso de boro absorbido en el proceso de filtrado. El lavado se realiza a velocidades de filtrado comprendidas entre 15 y 30 m3/rvm2 y el tiempo necesario del lavado está comprendido entre 4 y 10 minutos. La frecuencia de lavado está comprendida entre 24 y 72 horas y/o alternativamente se puede regular por diferencial de presión. Como complemento al lavado con agua, se puede realizar el lavado con aire, de forma secuencial aire-agua. Una vez realizado el lavado, el filtro de arcillas ya se encuentra en plenas condiciones para iniciar de nuevo un proceso de filtrado, es decir, de eliminación de boro del agua a tratar.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas, caracterizado porque comprende al menos, las siguientes etapas: a) pasar el agua con Boro a través de un colector de entrada; b) adición de aditivos de naturaleza básica o alcalina cuando el agua de entrada tiene un pH Inferior a 5,5; c) tratar el agua procedente de Ia etapa b) con arcillas; d) sacar el agua procedente de Ia etapa c) a través de un colector de salida; y e) lavado de las arcillas.
2. Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas, según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el agua llega al colector mediante gravedad o mediante bombeo.
3. Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas según Ia reivindicación 1 caracterizado porque el agua a tratar es de tipo dulce o marino.
4. Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas según Ia reivindicación 1 caracterizado porque dicho procedimiento se lleva a cabo preferentemente en plantas de potabilización y regeneración de aguas.
5. Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas, según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque las arcillas son de tipo expandido.
6. Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas según las reivindicaciones 1 y 5, caracterizado porque las arcillas se encuentran alojadas en filtros.
7. Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas según Ia reivindicación 5, caracterizado porque los filtros son de tipo tanque de hormigón, metálicos o de materiales plásticos, ya sean abiertos, cerrados o de presión.
8. Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas según las reivindicaciones 1 y 5, caracterizado porque las arcillas tienen un tamaño desde 0,2 hasta 10 mm.
9. Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas según las reivindicación 1 , caracterizado porque las arcillas tienen una densidad superior a 1 ,0 kg/litro.
10. Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque Ia porosidad de las arcillas es superior al
40%.
11. Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque las velocidades de filtración van desde 5 a 15 m3/h m2 de superficie de filtro.
12. Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque Ia altura del soporte de arcillas alojadas en los filtros está comprendida desde 0,5 a 3 metros.-
13. Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas según las reivindicación 1 , caracterizado porque el agua se evacúa mediante gravedad o mediante bombeo.
14. Procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque el lavado de las arcillas se lleva a cabo mediante agua o mezcla de aire/agua de forma secuencial cada 24 a 72 horas y/o alternativamente se puede regular por diferencial de presión.
15. Uso del procedimiento de eliminación de Boro en tratamiento de aguas según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, para potabilización y regeneración de aguas.
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