Optimización del proceso de aplicación de Quitosano para la clarificación de aguas residuales emulsionadas conteniendo petróleo

PÉREZ-CALDERÓN, JOHN; M. V. SANTOS; N. ZARITZKY

Ciudad de México

Congreso; 13º CONGRESO INTERAMERICANO DE COMPUTACIÓN APLICADA A LA INDUSTRIA DE PROCESOS; 2017

Instituto Tecnológico Autónomo de México ITAM

Durante el almacenamiento y refinación de petróleo uno de los peligros más importantes para el medio ambiente es el volcado de efluentes contaminados a cuerpos de aguas. Es frecuente que los efluentes acuosos generados estén emulsionados con petróleo siendo difícil su separación. Se ha propuesto como estrategia la utilización de biopolímeros que logren desestabilizar dichas emulsiones generando la clarificación del agua para su vertido y evitando la producción de barros tóxicos. El quitosano (QS) es un polisacárido lineal formado por cadenas de β-(1-4) D-glucosamina (unidades desacetiladas) y N-acetil-D-glucosamina (unidad acetilada). Este biopolímero se obtiene a partir de residuos sólidos de la industria pesquera como los caparazones de crustáceos, langostinos, etc. que presentan una cantidad apreciable de quitina. Al desacetilar los grupos acetamida presentes en la quitina se obtiene el biopolímero quitosano, que tiene múltiples aplicaciones en alimentos, en el tratamiento de aguas, medicina etc. Es biodegradable, no tóxico y un agente coagulante y floculante. Su potencial como agente desestabilizante de emulsiones radica en que presenta grupos amino libres formando un polímero policatiónico que reacciona con las cargas negativas generando fenómenos de coagulación y floculación. Los objetivos de este trabajo fueron: (a) estudiar la acción del QS para la clarificación de efluentes emulsionados de la industria del petróleo, (b) analizar en un sistema modelo de efluente formado por petróleo, agua y un tensioactivo aniónico biodegradable (dodecilsulfato de sodio, SDS), la turbidez residual de la fase acuosa y volumen de clarificado en función de las dosis de QS y SDS, (c) describir el fenómeno de la desestabilización de dichas emulsiones utilizando distintas técnicas como: mediciones de turbidez residual, registros fotográficos, demanda química de oxígeno, mediciones ópticas basadas en la dispersión estática de la luz y potencial zeta, (d) aplicar la metodología de superficie de respuesta (MSR) para optimizar las dosis de QS y concentración de SDS que minimicen la turbidez residual. Se trabajó con emulsiones petróleo/agua estables con una concentración de petróleo de 2550 ppm; previo a la incorporación de petróleo la fase acuosa se preparó mezclando agua destilada y SDS. La concentración de hidrocarburos en las muestras se determinó por FTIR (Equipo Nicolet IS10 ,Thermo-Scientific). Se caracterizó el quitosano por viscosimetría capilar utilizando la ecuación de Mark-Houwink siendo su peso molecular 5.75x105 g/mol y mediante titulación potenciométrica el grado de desacetilación fue 82.9%. Para aplicar MSR se planteó un diseño central compuesto (Box y Draper, 1987) utilizando el software SYSTAT (SYSTAT Inc., Evenston, IL, USA) en el cual se estudió la clarificación de las emulsiones; para la generación de la superficie de respuesta se definieron dos factores: (i) concentración de SDS (2,09- 4,09 mM), (ii) dosis de quitosano (247-1429 mg/L) . Este diseño contó con cinco réplicas en los puntos centrales y como respuesta se analizó el porcentaje de turbidez residual (%TR) y la fracción volumétrica del clarificado. Utilizando micrografías se calcularon los diámetros promedios de las gotas de petróleo D [4,3]=13.13μm. La turbidez residual se midió espectrofotométricamente y se monitoreó la clarificación en tiempo real utilizando un Turbiscan (Beckman Coulter; Fullerton, USA). Además se midió el potencial zeta con un equipo Zeta Potential Analyzer (Brookhaven Instruments Corporation, USA); este parámetro indica la atmósfera iónica en la proximidad de una partícula cargada y cómo actúan las fuerzas eléctricas en el marco de la teoría de la doble capa eléctrica (capa Stern y capa difusa). La emulsión estabilizada con SDS presentaba un potencial zeta negativo (-83.35 mV); al agregar QS se observó la formación de flóculos y una desestabilización de la emulsión debido a la neutralización de cargas. A medida que se aumentaba la dosis de QS se favorecía la desestabilización, sin embargo un exceso provocaba la re-estabilización de la emulsión debido a la repulsión de cargas positivas (+21.09 mV). Esto indica que existe una dosis óptima donde se obtienen dos fases bien marcadas: una correspondiente a los flóculos con petróleo que sedimentan y la otra que es la fase acuosa clarificada. Es interesante marcar que la clarificación del agua se alcanza en tiempos menores a 3 horas, lo cual es un muy ventajoso desde el punto de vista industrial. Las condiciones óptimas de proceso (valor mínimo de %TR=7) correspondieron a una concentración de SDS = 0.984 g/L y QS= 0.832g/L. Los resultados obtenidos indican que el QS es un potente agente desestabilizador de acción rápida y una opción atractiva para tratamiento de efluentes. Asimismo el biopolímero proviene de residuos de la industria pesquera Argentina, por lo tanto su uso resulta en una alternativa sustentable.Referencias Box, G.E.P. y N. R. Draper. Empirical model-building and response surfaces. New York: John Wiley & Sons. (1987).