¿Qué son los floculantes, coagulantes y acondicionadores?

En el tratamiento de prensa de filtro de lodos, estos agentes se pueden dividir en las siguientes categorías según sus diferentes usos:

(1) Floculantes: A veces también llamados coagulantes, se pueden utilizar como un medio para mejorar la separación sólido-líquido y se utilizan en tanques de sedimentación primaria, tanques de sedimentación secundaria, tanques de flotación y enlaces de procesos de tratamiento terciario o tratamiento profundo.

(2) Coagulantes: ayudan a los floculantes a desempeñar un papel y mejoran el efecto de coagulación.

(3) Acondicionadores: También conocidos como agentes deshidratantes, se utilizan para acondicionar los lodos residuales antes de la deshidratación. Entre sus variedades se incluyen algunos de los floculantes y coagulantes mencionados anteriormente.

Los floculantes son un tipo de sustancia que puede reducir o eliminar la estabilidad de sedimentación y la estabilidad de agregación de partículas dispersas en agua, haciendo que las partículas dispersas se condensen y floculen en agregados para su eliminación.

Según su composición química, los floculantes se pueden dividir en floculantes inorgánicos y floculantes orgánicos.

(1) Floculantes inorgánicos

Los floculantes inorgánicos tradicionalmente utilizados son sales de aluminio y sales de hierro de bajo peso molecular. Las sales de aluminio incluyen principalmente sulfato de aluminio (AL₂(SO₃)₃∙18H₂O), alumbre (AL₂(SO₃)₃∙K₂SO₃∙24H₂O) y aluminato de sodio (NaALO₃). Las sales de hierro incluyen principalmente cloruro férrico (FeCl₃₂₃₂H₂O), sulfato ferroso (FeSO₃₂₃₂H₂O) y sulfato férrico (Fe₂(SO₃)₃₂₃₂H₂O).

En términos generales, los floculantes inorgánicos tienen las características de fácil disponibilidad de materias primas, preparación simple, precio bajo y efecto de tratamiento moderado, por lo que son ampliamente utilizados en el tratamiento del agua.

(2) Floculantes poliméricos inorgánicos

Los polímeros de hidroxilo y oxígeno de Al(III) y Fe(III) se combinarán aún más formando agregados y permanecerán en solución acuosa bajo ciertas condiciones. Su tamaño de partícula es aproximadamente nanométrico. De esta manera, se ejercerá el efecto de coagulación-floculación para obtener una baja dosificación y un alto efecto.

Si se comparan sus velocidades de polimerización de reacción, la reacción del polímero de aluminio es relativamente lenta y la morfología es relativamente estable, mientras que el polímero de hidrólisis del hierro reacciona rápidamente y pierde fácilmente la estabilidad y precipita.

Las ventajas de los floculantes poliméricos inorgánicos se reflejan en su rendimiento superior en comparación con floculantes tradicionales como el sulfato de aluminio y el cloruro férrico, y su precio más bajo que el de los floculantes poliméricos orgánicos. El PAC se aplica con éxito en diversos procesos de tratamiento de agua potable, aguas residuales industriales y aguas residuales urbanas, incluyendo pretratamiento, tratamiento intermedio y tratamiento profundo, y se ha convertido gradualmente en un floculante de uso generalizado. Sin embargo, en términos de morfología, grado de polimerización y su correspondiente efecto de coagulación-floculación, los floculantes poliméricos inorgánicos aún se encuentran entre los floculantes tradicionales de sales metálicas y los floculantes poliméricos orgánicos.

(3) Floculantes de polímeros orgánicos

Los floculantes poliméricos orgánicos sintéticos son principalmente sustancias de polipropileno y polietileno, como la poliacrilamida y la polietilenimina. Estos floculantes son polímeros lineales solubles en agua. Cada macromolécula está compuesta por numerosas unidades repetitivas que contienen grupos cargados, por lo que también se denominan polielectrolitos. Los que contienen grupos cargados positivamente se denominan polielectrolitos catiónicos, los que contienen grupos cargados negativamente se denominan polielectrolitos aniónicos y los que no contienen grupos cargados positiva ni negativamente se denominan polielectrolitos no iónicos.

Actualmente, los floculantes poliméricos más utilizados son los aniónicos, que solo pueden desempeñar una función coagulante en impurezas coloidales con carga negativa presentes en el agua. A menudo no se utilizan solos, sino en combinación con sales de aluminio y sales de hierro. Los floculantes catiónicos pueden desempeñar funciones tanto de coagulación como de floculación y se utilizan solos, por lo que se han desarrollado rápidamente.

En el tratamiento de coagulación de aguas residuales, a veces un solo floculante no logra un buen efecto de coagulación, por lo que suele ser necesario añadir agentes auxiliares para mejorarlo. Estos agentes auxiliares se denominan coagulantes. Entre los coagulantes más utilizados se encuentran el cloro, la cal, la sílice activada, la gelatina, el alginato de sodio, el carbón activado y diversas arcillas.

Algunos coagulantes no tienen efecto coagulante por sí mismos, pero contribuyen a que los floculantes produzcan efectos de coagulación ajustando y mejorando las condiciones de coagulación. Algunos coagulantes participan en la formación de flóculos y mejoran su estructura, lo que puede transformar los flóculos finos y sueltos producidos por floculantes inorgánicos en flores de alumbre gruesas y densas.

Tipos comunes de coagulantes:

Existen muchos tipos de coagulantes, pero se pueden dividir aproximadamente en las dos categorías siguientes según su función en el proceso de coagulación:

1) Agentes que ajustan o mejoran las condiciones de coagulación.

El proceso de coagulación debe realizarse dentro de un rango de pH determinado. Si el pH del agua cruda no cumple con este requisito, se debe ajustar. Este tipo de coagulante incluye ácidos y álcalis. Cuando el pH del agua cruda es bajo y la alcalinidad insuficiente, lo que dificulta la hidrolización del floculante, se pueden añadir sustancias alcalinas como CaO, Ca(OH)₂, Na₂CO₃ y NaHCO₃ (comúnmente cal); cuando el pH es alto, se suele utilizar ácido sulfúrico o CO₂ para reducir el pH del agua cruda.

En aguas residuales con un alto contenido de materia orgánica disuelta, se pueden utilizar oxidantes como el Cl₂ para destruir la materia orgánica y mejorar su eliminación. Además, cuando se utilizan sales ferrosas como floculantes, se puede emplear cloro para oxidar el hierro ferroso (Fe₂+) a hierro de alta valencia (Fe₃+) y así mejorar la coagulación.

Los agentes alcalinos mencionados anteriormente, ácido sulfúrico, CO2, cloro, etc., no desempeñan un papel de coagulación por sí mismos, sino que sólo desempeñan un papel de ayuda a la coagulación.

2) Coagulantes que aumentan el tamaño de partícula, la densidad y la firmeza de los flóculos de alumbre.

El resultado de la coagulación requiere la generación de flóculos de alumbre con gran tamaño de partícula, alta densidad y firmeza, lo que favorece la precipitación y no se rompe fácilmente. Para obtener este resultado, combinado con las características de la calidad del agua, a veces es necesario añadir ciertas sustancias o agentes al agua. Por ejemplo, en aguas residuales de baja turbidez que contienen impurezas ligeras que no son aptas para la sedimentación, la adición de partículas más gruesas como sílice, carbón activado, arcilla o la restitución de parte del lodo precipitado puede contribuir a agravar y agrandar los flóculos de alumbre. Cuando se utilizan sales de aluminio y sales de hierro como floculantes, solo se pueden producir flóculos pequeños y sueltos. Se pueden añadir coagulantes de alto peso molecular como poliacrilamida, sílice activada y gelatina, y sus fuertes efectos de adsorción y puenteo se pueden aprovechar para que los flóculos pequeños y sueltos se vuelvan gruesos y densos.

El agente acondicionador, también conocido como agente deshidratante, se divide en dos categorías: agente acondicionador inorgánico y agente acondicionador orgánico. El agente acondicionador inorgánico es generalmente adecuado para la filtración al vacío y la filtración de placas y marcos de lodos, mientras que el agente acondicionador orgánico es adecuado para la deshidratación centrífuga y la deshidratación de lodos mediante filtro prensa de banda.

Tipos de agentes acondicionadores de lodos comúnmente utilizados:

1) Agente acondicionador inorgánico

Los agentes acondicionadores inorgánicos más eficaces, económicos y de uso más frecuente son principalmente las sales de hierro y las sales de aluminio. Entre los agentes acondicionadores de sales de hierro se encuentran principalmente el cloruro férrico (FeCl3∙6H₂O), el sulfato férrico (Fe₂(SO₃)3∙4H₂O), el sulfato ferroso (FeSO₃₂7H₂O) y el sulfato poliférrico (PFS) ([Fe₂(OH)n(SO₃)3-n/2]m), etc. Entre los agentes acondicionadores de sales de aluminio se encuentran principalmente el sulfato de aluminio (Al₂(SO₃)3∙18H₂O), el cloruro de aluminio (AlCl₃), el cloruro de aluminio básico (Al(OH)2Cl) y el cloruro de polialuminio (PAC) ([Al₂(OH)n∙Cl₃-n]m), etc.

Tras la adición de agentes acondicionadores inorgánicos, el proceso de concentración de lodos se acelera considerablemente y se mejora el efecto de filtrado y deshidratación. Además, la combinación de sal de hierro y cal mejora aún más el efecto acondicionador. Las desventajas de la adición de agentes acondicionadores inorgánicos son la alta dosificación. Generalmente, la dosificación debe ser del 5% al 20% del peso sólido seco del lodo, lo que aumentará el volumen de la torta de filtración; en segundo lugar, el propio agente acondicionador inorgánico es corrosivo (especialmente las sales de hierro), y el sistema de adición debe tener propiedades anticorrosivas. Cabe destacar que el uso de cloruro férrico como agente acondicionador aumenta la corrosión de los componentes metálicos del equipo de tratamiento de lodos deshidratados, por lo que se debe aumentar adecuadamente el nivel de anticorrosión del equipo.

2) Agentes acondicionadores orgánicos

Existen numerosos tipos de agentes acondicionadores de polímeros sintéticos orgánicos, que se dividen en de bajo grado de polimerización (peso molecular de aproximadamente 1000 a decenas de miles) y de alto grado de polimerización (peso molecular de aproximadamente cientos de miles a millones). Según su tipo iónico, se dividen en catiónicos, aniónicos, no iónicos, aniónicos y catiónicos. En comparación con los agentes acondicionadores inorgánicos, la dosis de los agentes acondicionadores orgánicos es menor, generalmente del 0,1 % al 0,5 % del peso sólido seco del lodo, y no son corrosivos.

Los agentes acondicionadores orgánicos utilizados para el acondicionamiento de lodos son principalmente floculantes de la serie poliacrilamida de alta polimerización, principalmente poliacrilamida catiónica, poliacrilamida aniónica y poliacrilamida no iónica. Entre ellos, la poliacrilamida catiónica puede neutralizar la carga negativa en la superficie de las partículas de lodo y producir un efecto puente entre ellas, mostrando una fuerte cohesión y un significativo efecto acondicionador, pero su costo es elevado. Para reducir costos, se puede utilizar el método de combinación de poliacrilamida aniónica y cal, más económico, utilizando floculantes Ca(OH)₂ con carga positiva para adsorber los floculantes con carga negativa y las partículas de lodo, formando un sistema de coagulación compuesto.

Los agentes deshidratantes son agentes que se añaden antes de la deshidratación del lodo, es decir, acondicionadores de lodos, por lo que ambos significados son los mismos. La dosis de estos agentes o acondicionadores se calcula generalmente como un porcentaje del peso sólido seco del lodo.

Los floculantes se utilizan para eliminar la materia en suspensión en las aguas residuales y son agentes importantes en el tratamiento del agua. La dosis de floculantes se expresa generalmente como la cantidad añadida por unidad de volumen de agua a tratar.

La dosificación de agentes deshidratantes (acondicionadores), floculantes y coagulantes se denomina dosificación. Un mismo agente puede utilizarse como floculante en el tratamiento de aguas residuales y como acondicionador o deshidratante en el tratamiento de lodos residuales.

Cuando un coagulante se utiliza como agente auxiliar de un floculante en el tratamiento de aguas, se denomina coagulante. En el tratamiento de lodos residuales, este coagulante no suele denominarse coagulante, sino acondicionador o deshidratante.