UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
Tema:
PROBLEMAS RESUELTO DE CONTAMINACION DEL AGUA, AIRE Y SÓLIDOS CÁTEDRA
:
CIENCIAS AMBIENTALES
CATEDRÁTICO
:
Ing. JOSE POMALAYA VALDEZ
ALUMNO
:
FUENTES VIVANCO , Walter Carlos
SEMESTRE
:
IX
HUANCAYO – PERÚ 2010
LA CONTAMINACIÓN AMBIENTAL El aumento continuo de la población, su concentración progresiva en grandes centros urbanos y el desarrollo industrial ocasionan, día a día, más problemas al medio ambiente conocidos como contaminación ambiental. Ésta consiste en la presencia de sustancias (basura, pesticidas, aguas sucias) extrañas de origen humano en el medio ambiente, ocasionando alteraciones en la estructura y el funcionamiento de los ecosistemas. 1.-
Efectos de la contaminación. Los efectos se manifiestan por las
alteraciones en los ecosistemas; en la generación y propagación de enfermedades en los seres vivos, muerte masiva y, en casos extremos, la desaparición de especies animales y vegetales; inhibición de sistemas productivos y, en general, degradación de la calidad de vida (salud, aire puro, agua limpia, recreación, disfrute de la naturaleza, etc.). 2.-
Causantes de la contaminación. Los causantes o contaminantes
pueden ser químicos, físicos y biológicos. Los contaminantes químicos se refieren a compuestos provenientes de
la industria química. Pueden ser de efectos perjudiciales muy marcados, como los productos tóxicos minerales (compuestos de fierro, cobre, zinc, mercurio, plomo, cadmio), ácidos (sulfúrico, nítrico, clorhídrico), los álcalis (potasa, soda cáustica), disolventes orgánicos (acetona), detergentes, plásticos, los derivados del petróleo (gasolina, aceites, colorantes, diesel), pesticidas (insecticidas, fungicidas, herbicidas), detergentes y abonos sintéticos (nitratos, fosfatos), entre otros. Los contaminantes físicos se refieren a perturbaciones originadas por
radioactividad, calor, ruido, efectos mecánicos, etc. Los contaminantes biológicos son los desechos orgánicos, que al
descomponerse
fermentan
y
causan
contaminación.
A
este
grupo
pertenecen los excrementos, la sangre, desechos de fábricas de cerveza, de papel, aserrín de la industria forestal, desagües, etc. 3.-
Formas de contaminación. Se manifiesta de diversas formas:
La contaminación del aire o atmosférica se produce por los humos
(vehículos e industrias), aerosoles, polvo, ruidos, malos olores, radiación atómica, etc. Es la perturbación de la calidad y composición de la atmósfera por sustancias extrañas a su constitución normal. La contaminación del agua es causada por el vertimiento de aguas
servidas o negras (urbanos e industriales), de relaves mineros, de petróleo, de
abonos,
de
pesticidas
(insecticidas,
herbicidas
y
similares),
de
detergentes y otros productos. La contaminación del suelo es causada por los pesticidas, los abonos
sintéticos, el petróleo y sus derivados, las basuras, etc. La contaminación de los alimentos afecta a los alimentos y es originada
por
productos
químicos
(pesticidas
y
otros)
o
biológicos
(agentes
patógenos). Consiste en la presencia en los alimentos de sustancias riesgosas o tóxicas para la salud de los consumidores y es ocasionada durante la producción, el manipuleo, el transporte, la industrialización y el consumo. La contaminación agrícola es originada por desechos sólidos, líquidos o
gaseosos de las actividades agropecuarias. Pertenecen a este grupo los plaguicidas, los fertilizantes' los desechos de establos, la erosión, el polvo del arado, el estiércol, los cadáveres y otros. La contaminación electromagnética es originada por la emisión de
ondas de radiofrecuencia y de microondas por la tecnología moderna, como radares, televisión, radioemisoras, redes eléctricas de alta tensión y las telecomunicaciones.
Se
conoce
también
como
contaminación
ergomagnética. La contaminación óptica se refiere a todos los aspectos visuales que
afectan la complacencia de la mirada. Se produce por la minería abierta, la deforestación incontrolado, la basura, los anuncios, el tendido eléctrico enmarañado, el mal aspecto de edificios, los estilos y los colores chocantes, la proliferación de ambulantes, etc. La contaminación publicitaria es originada por la publicidad, que ejerce
presiones exteriores y distorsiona la conciencia y el comportamiento del ser humano para que adquiera determinados productos o servicios, propiciando ideologías, variaciones en la estructura socioeconómica, cambios en la cultura, la educación, las costumbres e incluso, en los sentimientos religiosos. La contaminación radiactiva es la resultante de la operación de plantas
de energía nuclear, accidentes nucleares y el uso de armas de este tipo. También se la conoce como contaminación neutrónica, por ser originada por los neutrones, y es muy peligrosa por los daños que produce en los tejidos de los seres vivos. La contaminación sensorial es la agresión a los sentidos por los ruidos,
las
vibraciones,
los
malos
olores,
la
alteración
del
paisaje
y
el
deslumbramiento por luces intensas. La contaminación sónica se refiere a la producción intensiva de sonidos en determinada zona habitada y que es causa de una serie de molestias (falta de concentración, perturbaciones del trabajo, del descanso, del sueño). La contaminación cultural es la introducción indeseable de costumbres y
manifestaciones ajenas a una cultura por parte de personas y medios de comunicación, y que son origen de pérdida de valores culturales. Esta conduce a la pérdida de tradiciones y a serios problemas en los valores de los grupos étnicos, que pueden entrar en crisis de identidad.
PROBLEMAS DE CONTAMINACIÓN DEL AGUA 1.- Calcular la dureza de las siguientes aguas ricas en sales de magnesio cuyo análisis dan los siguientes resultados : A.- 4 x10 −4 M , Mg
+2
.
SOLUCION:
4 x10
−4
M , Mg
4 x10 −4 molMg = Lagua
+2
Dureza = 40 mgCaCO B.- 100 ppmMgCO
+2
. 1molCaCO 3 100 .09 gCaCO 3 10 3 mgCaCO 3 x x x 1molCaCO 3 1gCaCO 3 1molMg +2
/ Lagua = 40 ppmCaCO
3
3
3
SOLUCION:
100 ppmMgCO 3 =
100 mgMgCO 3 1gMgCO 3 1molMgCO 3 1molCaCO 3 x 3 x x x Lagua 10 mgMgCO 3 84.32 gMgCO 3 1molMgCO 3
100 .09 gCaCO 3 10 3 mgCaCO 3 119 mgCaCO 3 x = 1molCaCO 3 1gCaCO 3 Lagua Dureza = 119 mgCaCO
3
/ Lagua = 119 ppmCaCO
3
2+
C.- 60 ppmMg
SOLUCION: 60 ppmMg
+2
=
60 mgMg Lagua
+2
.
x
1molCaCO 3 1gMg 2 + 1molMg 2 + x x x 3 +2 2+ 10 mgMg 24 .31 gMg 1molMg +2
100 .09 gCaCO 3 10 3 mgCaCO 3 247 mgCaCO 3 x = 1molCaCO 3 1gCaCO 3 Lagua Dureza = 247 ppmCaCO
3
Un agua industrial tiene una concentración de 4 x10 −4 M , Mg
2.-
+2
. ¿Cuál
es su dureza? SOLUCION:
4 x10
−4
M , Mg
+2
4 x10 −4 molMg = Lagua
Dureza = 40 mgCaCO 3.-
3
+2
. 1molCaCO 3 100 .09 gCaCO 3 10 3 mgCaCO 3 x x x 1molCaCO 3 1gCaCO 3 1molMg +2
/ Lagua = 40 ppmCaCO
3
¿Cuál es la dureza de un agua natural que tiene una concentración de
80 ppm en CaCO
3
?
SOLUCION: Dureza = 80 mgCaCO
4.-
3
/ Lagua = 80 ppmCaCO
3
¿Cual será la dureza de un agua industrial que tiene la concentración
de 60 ppm en Ca
2+
?
SOLUCION: 60 ppmCa
+2
=
60 mgCa Lagua
2+
x
1molCaCO 3 1gCa +2 . 1molCa +2 x x x 3 2+ +2 10 mgCa 40 .08 gCa 1molCa +2
100 .09 gCaCO 3 10 3 mgCaCO 3 150 mgCaCO 3 x = 1molCaCO 3 1gCaCO 3 Lagua Dureza = 150 ppmCaCO
3
Na 2 CO 3 .Para reducir su
Un agua de un manantial fue tratada con
5.-
dureza. Después de del tratamiento la dureza se ha reducido hasta 10ppm de CaCO
3
¿Cuál será la concentración de CO 3−2 en el equilibrio?
9 Dato: Kc CaCO 3 = 5.0 x10
SOLUCION: Conociendo la reacción de precipitación del CaCO
3
y el equilibrio de solubilidad
del mismo, podemos calcular la concentración del anion carbonato existente en el equilibrio. Ca (+aq2 ) + Na 2 CO3 → CaCO3 + 2 Na + CaCO3 → Ca (+aq2 ) + CO3−(2aq )
1molCO 3−(2aq ) 10 mgCaCO 3 1gCaCO 3 1molCaCO 3 10 ppmCaCO 3 = x 3 x x Lagua 10 mgCaCO 3 100 .09 gCaCO 3 1molCaCO 3 =
10 x10 −5 molCO
−2 3( aq )
Lagua
Kc CaCO 3 = 5.0 x10 9 =
[Ca ][CO ] ⇒ [CO ] = [CaKc ] = 105xx1010 [CO ] = 5 x10 M +2 ( aq )
−2 3( aq )
−2 3( aq )
6.-
−2 3( aq )
−9
+2 ( aq )
−5
= 5 x10 −5
molCO 3−(2aq ) Lagua
−5
El análisis de un agua natural indica que es
6 x10 −4 MCa
+2
4 x10
−4
M , Mg
+2
.,
−4 − . y 8 x10 M , HCO 3 . Si se quiere ablandar dicha agua por el
método de la cal y de la sosa
[Ca (OH ) 2 yNa 2 CO 3 ]
, calcule la cantidad de
hidroxido de calcio y de carbonato de sodio que sera necesario emplear por cada m3 de agua : SOLUCION:
A.- 4 x10 −4 M , Mg B.- 6 x10 −4 MCa
+2
+2
.
.
−4 − C.- 8 x10 M , HCO 3 .
El agua de partida contiene diferentes concentraciones por lo que habrá de añadir cal sosa. Para el calculo de Na 2 CO 3 necesario se tiene la siguiente reacción :
Mg 2+ + Na 2 CO3 → MgCO3 + 2 Na Adición de Sosa = = 7.-
4 x10 −4 molMg Lagua
+2
. 1molNa 2 CO 3 106 gNa 2 CO 3 10 3 L x x x 1molNa 2 CO 3 1m 3 1molMg +2
42 ,4 gNa 2 CO 3 m3
Una muestra de agua residual que llega a una depuradora fue
sometida al ensayo de incubación
reglamentario para la determinación del
parámetro DBO5. Para ello, y dado que previsiblemente el valor de DBO5 será alto, se diluyeron 25 ml del agua residual hasta un litro con agua exenta de oxígeno. En esta nueva disolución se determina la concentración del oxígeno disuelto antes del ensayo de incubación y al finalizar el mismo, después de 5 días, obteniéndose los valores de 9 y 1 mgO2/l respectivamente. ¿Cuál es el valor del parámetro DBO5? SOLUCIÓN: Sabiendo que la DBO5 es la diferencia entre la concentración inicial y final de oxígeno disuelto, y teniendo en cuenta el grado de dilución. DBO 5 =
mg O 2 l agua residual
Dis min ución de O 2 disuelto = DBO 5 =
8 mg O2 1 l agua ( dilución ) 10 3 ml agua (residual ) x x l agua ( dilución ) 25 ml agua ( residual ) 1 l agua (residual )
DBO 5 = 320 8.-
9 mg O 2 1 mg O 2 8 mg O 2 − = l agua l agua l agua
mg O2 = 320 ppm O 2 1 lagua ( residual )
Una muestra de 50 ml de un agua residual se diluyó hasta 500 ml con
agua exenta de oxígeno y se determinó la concentración en oxígeno disuelto de la muestra diluida, que resultó ser de 6 ppm. Al cabo de 5 días de incubación volvió a repetirse la determinación de oxígeno disuelto, siendo el valor hallado en esta ocasión de 2 ppm. Calcule la DBO5 del agua residual. SOLUCIÓN:
Vr = 50 ml agua residual Vd = 500 ml agua ( dilución ) Ci O2 = 6 ppm = 6 mg O2 / 1l agua Cf O2 = 2 ppm = 2 mg O2 / 1l agua
DBO 5 =
mg O2 l agua residual
Dis min ución de O2 disuelto =
6 mg O2 2 mg O2 4 mg O2 − = l agua l agua l agua
4 mg O2 0.5 l agua ( dilución ) 10 3 ml agua ( residual ) x x l agua ( dilución ) 50 ml agua ( residual ) 1l agua ( residual ) mg O2 = 40 = 40 ppm O2 1lagua ( residual )
DBO 5 = DBO 5
9.- Un vagón cisterna de 60 m3 acaba de realizar un transporte con etanol. Para limpiarlo se llena completamente de agua. ¿Cómo variará la DBO total del agua si habían quedado en el fondo del vagón 10 litros de etanol? Supóngase que el etanol puede sufrir oxidación total por degradación biológica con el oxígeno. Dato: Densidad del etanol 0.87 g/cm3 a 20 ºC. SOLUCIÓN: Teniendo en cuenta la reacción de oxidación del metanol calculamos el oxígeno que empleara para su descomposición. CH 3 OH
( aq )
+ 3 / 2 O2 →CO 2 ( aq ) + 2 H 2 O
Oxígeno consumido por el metanol:
10 l CH 3 OH 10 3 cm 3 CH 3 OH 0.87 g CH 3 OH 1 mol CH 3 OH 1.5 mol O2 x x x x x 3 3 1l CH 3 OH 32 g CH 3 OH 1 mol CH 3 OH 60 m agua cm 32 g O2 10 3 mg O2 mg O2 mg O2 x = 217500 = 217 .5 3 1 mol O2 1 g O2 1l agua m agua 10.-
100 ml de una muestra de agua residual consume para su oxidación total 30
ml de una disolución de dicromato de potasio 0.15 N. Calcule la DQO de dicha agua residual. SOLUCIÓN: N º Equivalent
es de K 2 Cr 2 O7 = 30 x 10 −3 x 0.15 =4.5 x10 −3
N º Equivalent
es de Oxígeno
es de Dicromato
N º gramos
de Oxígeno
= N º Equiv . de Oxígeno x Pesoéquiv . de oxígeno
N º gramos
de Oxígeno
= 4.5 x10 −3 x 8 =36 x 10 −3
DBO =
36 x 10 −3 g O2 10 −3 mg O2 10 3 ml agua x x 100 ml agua 1g l agua
DBO = 360 11.-
= N º Equivalent
mg O2 l agua
Una industria química que produce acido acético CH3-COOH, evacua un
caudal de agua residual de 100 l/s con una concentración en dicho ácido de 300 mg/l. Si se elimina el ácido acético, oxidándolo hasta CO 2 con dicromato de potasio 1 M, proceso en el que el dicromato se reduce hasta Cr +3, calcule el volumen diario de la solución de dicromato, expresado en m3, que será preciso emplear. SOLUCIÓN: Para calcular el volumen de solución de K 2 Cr 2O a emplear, basta recordar que el n de moles de equivalentes de este oxidante debe ser igual al n moles de equivalentes de oxigeno que
se hubieron consumido caso se hacerse la
reacción de oxidación con este ultimo agente. La reacción de oxidación es: CH 3 COOH
+ 2 O2 → 2CO + 2 H 2 O
oxigenonec esario =
300 x 10 −3 g CH 3 COOH 1molCH 3 COOH 2mol 0 x x 1 60 gCH 3 COOH l molCH 3 COOH
oxigenonec esario = 320 mg 02 N º Equivalent es de K 2 Cr 2 O totales N º Equivalent es de K 2 Cr 2 O totales = 345600 equivalent eK 2 Cr 2 O aldia volumendis olucionK
2
Cr 2 Odiaria
volumendis olucionK
2
Cr 2 Odiaria =
volumendia rio =
345600 equivalent eK 2 Cr 2 O aldia l molequival ente
345600 equivalent eK 2 Cr 2 O aldia 6moldeequiv alenteK
volumendia rio = 57 .6
2
Cr 2 O
m3K 2 Cr 2 O dia
Calcule cual será el DQO de un agua residual que contiene una concentración
12.-
de 5 ppm del pesticida baygon (C11H15O3N). considere que el nitrógeno se oxida totalmente hasta ion nitrato. La reacción química es: SOLUCION:
C11 H 15 O3 N + 13 / 2 O2 →11 CO 2 +15 / 2 H 2 O + NO DBO = x
5 mg C11 H 15 O3 N 1molC 11 H 15 O3 N 13 / 2mol O2 x x l 1molC 11 H 15 O3 N 0.209 mgC 11 H 15 O3 N
0.032 mg O2 mg O2 = 11 .29 1 mol O2 l
DBO = 11 .29
mg O2 l
La DBO total de una determinada agua es de 60 ppm de oxígeno mientras
13.-
que para la oxidación total de una muestra de 50 cm3 de dicha agua se precisa 4 cm3 de dicromato de potasio 0.12 N. Calcule el DQO del agua mencionada e
indique si la materia orgánica que predomina es de naturaleza biodegradable o no biodegradable. SOLUCIÓN: Se sabe que: nEq − g V Dis min ución de O2 disuelto = 384 x10 −5 O2 N ≡
384 x10 − 4 10 3 cm 3 agua mgdeoxigen o x = 76 .8 3 1l agua Lt 50 cm 60 DBO / DQO = = 0.78 ppm O2 76 .8 DQO =
Respuesta: Por lo tanto predomina la materia orgánica biodegrable. Para declorar un agua se utiliza un carbón activo, con un contenido de 96%
14.-
en carbón, que actúa según la siguiente reacción: Calcule: a) ¿Cuántos mg de carbón activo son necesarios par tratar 1 m3 de agua
cuya concentración en cloro es de 0.4 ppm? b) Si empleamos una columna de 300 g de carbón activo para eliminar
cloro de una agua que contiene 0.8 ppm del mismo, ¿Cuántos litros de agua pueden ser declorados por el carbón de la columna? Suponga que la eficiencia del tratamiento con el carbón activo es del 80%. SOLUCIÓN: A.- Carbón activo necesario
= B.-
0.4 mg Cl 2 1mol C 2 0.012 mgC 2 10 3 L mgC x x x ≡ 35 .21 3 3 l agua 2molCl 2 1molC 1m m agua
80 g C 1moldeC 10 3 mgCl 2 71 gCl 2 VOLUMEN = 300 gCarbonx x x x 100 gCactivo 12 gC 1gCl 2 1molC 2 volumen = 284 x10 3 mgCl 2 Por lo tanto:
=
284 x10 4 mg Cl 2 = 355 x10 4 L = 3.6 x10 3 m 3 0.8mgCl 2 Ltagua
En las aguas del mar aral, un mar interior, la cantidad total de sólidos
15.-
disueltos en el agua es del orden del 50 g/l. Para desalinizar esta agua utilizando un proceso de ósmosis inversa, ¿Cuál será la presión Mínima necesaria a la temperatura de 25 ºC? Dato: Suponga el Factor i de Van Hoff = 1.75 y que los sólidos disueltos corresponden un 60% a NaCl y el resto a KCl. SOLUCIÓN:
La presión mínima se correspode4nderia con la presión osmótica del agua a tratar por tanto teniendo en cuenta la ecuación que relaciona la presión osmótica con la concentración.
π=
LnRT V
30 g NaCl atmLt 298 K x 0.082 x = 21 .93 atm l MolK 58 .5 gmol atmLt 298 K π =17 .5 x 20 gKClx 0.082 x =13 .79 atm MolK 62 gmol
π = 1.75 x
Por lo tanto la presion es mayor que : 35.72 atm
A un agua residual que se encuentra a pH = 8 se le incorpora por un nuevo
16.-
vertido, 13 ppm de Cr (III). ¿Precipitara el citado metal en forma de hidróxido de cromo (III)? Dato: Ks/Cr(OH)3/ = 6.7 x 10-31 SOLUCIÓN: La reacción en el equilibrio: Cr (OH )3 →Cr −3 + 3OH K =
[Cr ] [OH ] −3
−1
pH = −LogOH
[Cr ] ≡ 2.5 x10 −3
−1
=8 −4
ahora : K ≡ 2.5 x10 −2 x10 −4 ≡ 2 x10 −6
En este caso se precipitará Una determinada industria genera un vertido de 500 l/h de un agua residual
17.-
con un contenido en propanol de 150 mg/l y 60 mg de Ba+2/l. Calcule: a) La presión osmótica del agua residual, a 20º C, debida al propanol. b) La DBO total del agua residual. c) Si para eliminar el propanol se obatar por oxidarlo con una disolución de dicromato de potasio 2 N, en medio ácido, ¿Cuál sera el volumen de la misma que se precisaria diariamente? d) Si la Ba+2 del agua residual se precipita en forma de fosfato de bario
mediante el empleo de fosfato de sodio ¿Qué cantidad de fosfato de sodio se necesitara diariamente, y que cantidad de lodos, compuestos por el
fosfato de bario precipitado y con una humedad del 55%, se retirara anualmente? SOLUCION: mRT V CRT π= 1 mRT mgCHO atmLt 298 K 1g π= = 1150 x x0.082 x x 3 = 0.060 atm V Ltagua MolK 60 gmol 10 mg π = 0.060 atm
π=
Reacción de propanol : CHO 3 + O2 → 3CO 2 + 4 H 2 O DBO ≡ 360 mgO 2 / LtH 2 O
18.a. Si para depurar la corriente A se pretende como primer paso reducir el cromato (CrO-2) hasta Cr-2, Calcular la cantidad diaria que se necesitara de sulfito se sodio (Na2SO3) si se utiliza este compuesto como reductor. b. Su se pretende precipitar como hidróxido todo el Cr+3 , obtenido en el paso anterior, calcular la cantidad de cal apagada (hidróxido de calcio de 85% de pureza que será) necesario emplear diariamente. c. Si para depurar la corriente B se pretende oxidar al ion cianuro (CN-) hasta dióxido d carbono y nitrógeno elemental, mediante una disolución 5M de hipoclorito de sodio (NaOCl), proceso en el cual el hipoclorito se reduce hasta ion cloro. Calcular los litros diarios de dicha solución oxidante que se necesitaran. SOLUCIÓN: a. La reacción química: 2Cr4-2+3Na2SO3=Cr2(SO4)3+6Na++1/2O2 Cantidad de sulfito: −2
−2
126gNa2 SO3 60mgCrO4 1molCrO4 120l 3600s 24h 3molNaSO4 x x x x x x −2 −2 3 l s 1h d 1molCrO4 1molNa2 SO3 116 *10 mgCr4 = 1013561 .38
gNa 2 SO3 1.014 TM .Na 2 SO3 = d d
b. La reacción química Cr 2 ( SO 4 ) 3 + 3Ca (OH ) 2 → 2Cr (OH ) 3 + 3CaSO
4
Calculo de la cantidad de Cr 2 (SO 4 ) 3 : −2
−2
392gCr2 ( SO4 ) 3 = 60mgCrO4 1molCrO4 120l 24h 1molCr2 ( SO4 ) 3 x x x x x −2 − 2 l s d 1molCr2 ( SO4 ) 3 2molCrO4 116 *103.mgCrO4 1051100 .7
gCr 2 ( SO 4 ) 3 KgCr 2 ( SO 4 ) 3 105 .1 dia dia
Calculo de la cantidad de Ca (OH ) 2 :
=
1051 .1KgCr 2 ( SO 4 ) 3 3molCa (OH ) 2 1molCr 2 ( SO 4 ) 3 0.074 KgCa (OH ) 2 x x x dia 1molCr 2 ( SO 4 ) 3 0.392 KgCr 2 ( SO 4 ) 3 1molCa (OH ) 2 * 0.85
= 700 .3
KgCa (OH ) 2 dia
c.La reacción química:
2CN + 5 NaClO + 2 H + → 2CO2 + 5 NaCl + N 2 + H 2 O Calculo de la cantidad de NaClO :
5mgCN l M =
19.-
−
x
100 l 3600 s 24 h 5molNaClO molNaClO x x x = 4153 .85 − s h dia dia 2molCN
n n 4513 ,85 mol lNaClO ⇒V = = = 830 ,77 V M 5mol / l dia
Una industria química genera un agua residual que posee las siguientes
características media: Caudal=80l/s Etanol=130mg/l Acido metanoico=400mg/l Sólidos en suspensión=500mgl
[Pb ] = 3mg / l +2
Para esta agua indique: a. La DBO total del agua residual debida a la presencia de etanol y del acido metanoico b. Si se pudiese eliminar selectivamente solo el acido metanoico, oxidándolo hasta CO2 con bicromato de potasio en medio acido, proceso en el que el dicromato se reduce hasta Cr+2, ajuste la ecuación iónica de oxidaciónreducción que tendría lugar y calcule el volumen diario de la solución de dicromato de potasio 2M, expresado en m3. Que seria preciso emplear. c. Las toneladas anuales de lodos húmedos, retiradas con un 40% de humedad, que se producirán si los sólidos e suspensión se reducen hasta 30mg/l. si se disminuye
la
concentración
de
Pb+2
precipitándolo
por
adición
estequiometrica de una solución de carbonato de sodio. ¿cual será el consumo diario de carbonato de sodio sólido de pureza de 95%¿ cual será la concentración de Pb+2, expresada en ppb,
en el agua residual una vez
tratada? SOLUCIÓN: a.Para calcular la DBO será preciso ajustar las ecuaciones de oxidación del etanol y acido metanoico y calcular la contribución de cada una de la DBO total. CH 3 − CH 2 OH + 3O2 → 2CO 2 + 3H 2 O C 2 H 5 OH + 3O2 → 2CO 2 + 3H 2 O 1 H − COOH + O2 → CO 2 + H 2 O 2 CH 2 O2 +1 / 2O2 → CO 2 + H 2 O
DBO causada por el etanol:
130 mgC 2 H 5OH 1molC 2 H 5OH 3molO 2 32 *10 3 mgO 2 x x x l 1molC 2 H 5OH 46 *10 3 mgC 2 H 5OH 1molO 2 = 271 .30
mgO 2 l.H 2 O
DBO causada por el acido metanoico:
400 mgCH 2 O2 0.5molO 2 1molCH 2 O2 32 *10 3 mgO 2 x x x l 1molCH 2 O2 46 *10 3 mgCH 2 O2 1molO 2 = 139 .13
mgO 2 l.agua
DBO Total = 271 .30 +139 .13 = 410 ,43 b.
mgO 2 l.agua
El ajuste de la ecuación de oxidación-Reducción permitirá establecer la
estequiometria del proceso y por lo tanto calcular la cantidad de K2Cr2O7 necesario: La reacción iónica: −2
3H − COOH + Cr2 O7 + H + → 3CO2 + 2Cr +3 + 7 H 2 O La cantidad de dicromato necesario:
−2
1molCH 2 O2 80l 3600 s 24 h 400 mgCH 2 O2 1molCr 2 O7 = x x x x x s h d l.agua 3molCH 2 O2 46 *10 3 mgCH 2 O2 molCr 2 O7 = 20034 .76 dia M =
−2
n n m 3 K2Cr2O7 ⇒V = = 20034 .78 mol / dia = 10 .01 V M dia
c. Los fangos retirados vendrán dados por la diferencia de los sólidos iniciales y finales. SÓLIDOS ELIMINADOS = SÓLIDOS INICIALES - SÓLIDOS FINALES mg mg mg −30 = 470 dolidos .e lim inados l l l lodos 80 l 3600 s 24 h 365 dias 470 mg mg x x x x x =1.9761 *10 12 año s h dia año l. * 0.60 ( solidos sec os ) año lodos .humedos =1976 .17 TM año
500
d.
La estequiometria de la reacción de precipitación establecerá la
cantidad de Na 2CO 3 :
Pb +2 + Na 2 CO 3 → PbCO 3 + 2 Na + Cantidad de carbonato de sodio:
80 l 3600 s 24 h 3mgPb +2 1molNa 2 CO 3 1molPb +2 x x x x x s h dia l 1molPb +2 207 ,2 *103 mgPb 16 *103 mgNa 2 CO 3 10 .61 KgNa 2 CO 3 KgNa 2 CO 3 x = = 11 .17 1molNa 2 CO 3 0.95 .dia dia
+2
Concentracion de Pb+2: La reacción:
PbCO 3 → Pb +2 + CO 3
[
][
Ks = Pb +2 CO 3 Ks = S 2
−3
−3
] = s.s = s
2
s = Ks s = 1.5 *10 −13 = 3.8729 x10 −7
[Pb ] = 3.8729 x10 +2
concentrac ion .dePb 80 .29
−7
M
+2
=
3,8729 x10 −7 molPb l.agua
ugPb +2 = 80 .29 pbbPb l.agua
+2
x
207 .2 gPb +2 106 ugPb +2 x 1molPb +2 1gPb +2
+2
PROBLEMAS RESUELTOS DE CONTAMINACION DE AIRE 1.- Convierta los siguientes valores:
a. 500 ppb de CO, medidos a 293K y 101,3 Kpa a mg CO/m3 SOLUCIÓN: 500 ppm = 500
cm 3 l = 0,5 3 m3 m
T = 293 K P = 101 .3Kpa = 1atm gCO M = 28 mol
gSO 2 1atmx 28 g / mol = 1.165 Atmxl l 0.082 x 293 K molxK 3 1 g 10 mg mgCO ⇒= 0.5 3 x1.165 x = 582 ,7 m l g m3 pv = nRT =
w w PM RT ⇒ = = M v RT
b. 500 ppm de SO2. Medidos en condiciones normales a mg SO3/Nm 3 SOLUCIÓN: 500 ppm = 500
cm 3 l = 0,5 3 3 m m
T = 293 K P = 101 .3Kpa = 1atm M = 64
gSO 3 mol
w w PM 1atmx 64 g / mol gSO 2 RT ⇒ = = = 2,66 Atmxl M v RT l 0.082 x 293 K molxK 1 g 10 3 mg mgSO 2 ⇒= 0.5 3 x 2.66 x x1331 .89 m l g m3 pv = nRT =
c. 500 ppm de de CO. Medidos en condiciones normales a mg CO/Nm3 SOLUCIÓN:
cm 3 l = 0,5 3 m3 m gCO 28 gCO 1mol g M = 28 = x = 1.25 mol mol 22 ,4l / mol l
500 ppm = 500
⇒ = 0 .5
1 g 10 3 mg mgCO x 1 . 25 x = 625 3 m l g m3
d. 500 pmm de SO2, medidos en condiciones normales a mg SO2/Nm3 SOLUCIÓN:
500 ppm = 500
cm 3 l = 0,5 3 3 m m
T = 293 K P =101 .3Kpa =1atm gSO 2 28 gSO 2 1mol g M = 64 = x = 2.85 mol mol 22 ,4l / mol l ⇒ = 0 .5
1 g 10 3 mg mgSO 2 x 2 . 857 x =1428 .57 3 m l g m3
2.- Exprese las concentraciones de contaminantes que se indican en los valores que se piden: a. 250 mgC6H6/Nm3 en ppm. SOLUCIÓN:
250
1molC 6 H 6 mg 1g 22 .4l 103 cm 3 cm 3 x x x x = 71 . 79 = 71 .79 ppm 78 g 1molC 6 H 6 1l Nm 2 103 mg m3
b. 420ppm C6H6 medidos a 293K y 101.3 Kpa en mg C6H6/Nm3 SOLUCIÓN:
420 ppm = 420
cm 3 l = 0,42 3 m3 m
T = 293 K P = 101 .3Kpa = 1atm gC 6 H 6 mol w w PM pv = nRT = RT ⇒ = = M v RT
M = 78
gC 6 H 6 1atmx 64 g / mol = 3.246 Atmxl l 0.082 x 293 K molxK mgC 6 H 6 1 g 10 3 mg ⇒= 0.42 3 x3.246 x = 1363 .5 m l g m3 c. 350 ppm de NO2, medidos en condiciones normales a mg NO2/Nm3 SOLUCIÓN:
350 ppm = 350
cm 3 m3
gNO 2 mol cm 3 1l 46 gNO 2 mg 1mol 10 3 mg mgNO 2 ⇒= 350 3 x 3 3 x x x = 718 .75363 .5 m 10 cm 1mol 22 .4l 1g m3 M = 46
d. 250 mg de NO2, medidos a 293 K y 101.3 Kpa a ppm NO2. SOLUCIÓN:
250 mgNO 2 = 0.25 gNO 2 T = 293 K P = 101 .3Kpa = 1atm gNO 2 M = 46 mol w w PM 1atmx 46 g / mol gNO 2 pv = nRT = RT ⇒ = = = 1.915 .246 Atmxl M v RT l 0.082 x 293 K molxK 1l lNO 2 cm 3 NO 2 ⇒ = 0.25 g = 0.1305 3 = 130 .5 = 130 .5 ppmNO 2 1.915 g m .aire m3 3.-
Una estación Municipal de control de contaminación media de ozono,
para un periodo de 24 horas, de 25 µg / m3 a 25ºc y 1 Bar. ¿Cuál será la concentración de ozono expresado en ppm? SOLUCIÓN: Concentración =
25 µg cm 3 1g 1 = 500 x 6 = 0.5 3 3 3 m m 10 ug m
T = 298 K P = 1bar = 750 mmmhg = 0 − 9861 atm w w PM 0.986 atmx 46 g / mol 48 g gg pv = nRT = RT ⇒ = = = 1.937 Atmxl M v RT 298 Kxmol l 0.082 x 293 K molxK g 1 103 cm 3 cm 3 ⇒ = 25 *104 3 x x = 0.0129 = 0.0129 ppm .ozono m 1.937 g 1l m3 4.-
Una norma de calidad fija para el monóxido de carbono una
concentración media de 11 ppm medidos durante un periodo de muestreo de 24 horas. ¿cual será la concentración equivalente en mg/m3. SOLUCIÓN: cm 3 m3 cm 3 1mol 28 gCO 1l 10 3 cm 3 mg ⇒ = 11 3 x x x 3 x =13 .75 m 22 ,4l 1mol 10 cm 3 1g Nm 3
11 ppm =1
P = 1.05 bar = 1.036 atm T = 500 ª C + 273 K w PMv 0.986 atmx 46 g / mol 48 g gg pv = nRT = RT ⇒ w = = = 1.937 Atmxl M RT l 0.082 x 293 K 298 Kxmol molxK 5.-
En una planta de producción de energía , el gas de chimenea sale a
500C y contiene
las cantidades de bióxido de azufre que a continuación se
indica según sea la calidad de combustible quemado: a. 2100 ppm b. 1900ppm.
Si la emisión de gases es de 30000m3/min. cual será la emisión de gas de SO2/5? Dato: La presión de los gases a la salida de la chimenea es de 1.05 bar. SOLUCIÓN: a. 2100 ppm = 2100
cm 3 l = 2.1 m3 m3
b. 1900 ppm = 1900
cm 3 l =1.9 m3 m3
a.
PMv 1.0364 atm 2M 64 gSO 2 gSO 2 = x 3 x = 2,196 Atmxl RT m 1molx 273 K m3 0.082 molxK g 30000 m3 1 min gSO 2 = 2.196 x x = 1098 m3 min 60 seg m3 w=
b.
1.0364 atm 1.9l 64 gSO 2 gSO 2 x 3 x = 1.987 Atmxl m 1molx 273 K m3 0.082 molxK g 30000 m3 1 min gSO 2 w = 1.987 x x = 993 .5 m3 min 60 seg m3 w=
Una norma de calidad del aire fija para el dióxido de azufre una
6.-
concentración de 85ug/m3 a 20·C y 1.1 bar de promedio anual. ¿cual será la concentración equivalente en ppb . SOLUCIÓN: Concentración =
85 µg ug 1g g = 85 3 x 6 = 85 *10 −6 3 3 m m 10 ug m
T = 20 ª C + 273 K = 293 K P = 1.1bar = 1.0855 atm w w PM 1.0855 atmx 64 gSO 2 / mol 64 g g RT ⇒ = = = = 2.891 Atmxl M v RT 298 Kxmol l 0.082 x 293 K molxK 3 3 3 3 g 1 10 cm 10 mm mm 3 ⇒ = 85 *10 −6 3 x x x = 29 .40 = 0.0129 ppb .SO 2 m 2.891 g 1l 1cm 3 m3 pv = nRT =
7.- Un método muy frecuente de obtención de cobre es el tratamiento de sulfuro de cobre (I) con oxigeno, proceso en el cual se libera e cobre metálico y se genera dióxido de azufre. Si de desea fabricar diariamente 40Tn de una aleación Cu-Ni con un contenido de cobre de 18%. Calcule:
a. La cantidad diaria de mineral de cobre , con un contendido de sulfuro de cobre (I) del 32% que abra que tratar, si el proceso de obtención del cobre transcurre con un rendimiento del 78% b. Si todo el azufre contenido en el minera procesado se emitiera a la atmósfera como SO2, ¿ Cual serán las emisiones diarias de este compuesto a la atmósfera expresada en Kg SO2/dia?. c. ¿Cual seria la concentración de este compuesto en las bases de emisión si se liberan a la atmósfera 6.2*104 Nm3 de gas por tonelada de mineral procesado?. Exprésala en ppm y mg SO2/Nm3. SOLUCIÓN: a. La reacción: Cu 2 S + O2 → 2Cu + SO2 Aleación Cu-Ni: 18%Cu Producción: 40OM/dia Cu en la aleación: 0.18(40)=7.2TM/dia Rendimiento:
7.27 TM / dia = 9.23TM / dia 0.78
La cantidad de mineral de cobre:
=
1molCu 2 S 1molCu 159 gCu 2 S 9.237 TM TM 11 .55TM / dia x x x = 11 .55 = 2molCu 63 .5 gCu 1molCu 2 S dia dia 0.32
= 36 .11TM / dia .deCu 2 S b. de la reacción: Cu2 S + O2 → 2Cu + SO2 Se tiene: 1molSO 2 1molCu 2 S 64 gSO 2 11 .55TMCu 2 S = x x x 1molCu 2 S 159 gCu 2 S 1molSO 2 dia
= 4.649
KgSO 2 TM = 4649 dia dia
c. se tiene: 6.2 x10 4 Nm 3 gas = x36 .11TM min eral = 223 .882 x10 4 Nm 3 gas TM min eral mgSO 2 4649 Kg 10 4 mg = x = 2076 .54 4 3 1Kg 223 .88 x10 Nm Nm 3 4649 Kg 22 .4l 1mol 10 3 cm 3 10 3 g = x x x x 64 g 1l 1Kg 223 .88 x10 4 Nm 3 1mol
cm 3 = 726 .79 = 726 .79 ppmSO 2 Nm 3
8.- Sabiendo que le valor limite umbral (VLU) que indica el porcentaje del oxigeno
en el aire ambiente por debajo del cual pueden ocasionarse efectos perjudiciales para la salud es de 18% en volumen, calcule si se correría el riesgo de alcanzar en un laboratorio de dimensiones 8m de largo, 5m de ancho
y 3m de altura en el que se produce una fuga total del nitrógeno contenido en 4 botellas de 20 litros cada uno, a una presión d 180 atm. Y situados en el interior del laboratorio. Considere que el laboratorio se encuentra a una presión de 1atm. Y 22 C de temperatura, y que la composición de aire es de un 21% de oxigeno y un 79% de nitrógeno en volumen. SOLUCIÓN: Efecto perjudicial (18% de O2 en el aire Laboratorio P= 1Atm T= 22C Volumen total de laboratorio (aire) = 8mx5mx3m=120m3 Fuga de nitrogeno: P s1= 4x20l=80l Ps2= 180Atm. Aplicando la ley de Boyle: P1 V1=P2 V2 V2=180atmx80l=14400l=14.4 m3 N2 Volumen de aire: 120 m2 VolO2=0,21(120)=25,2 m3 VolN2= 0.79 (120) = 94,8 m3 Volumen de N2= 94.8 + 14.4 (fuga) = 109.2 m3 N2 Volumen del aire: Vol.O2 + Vol.N2 = 25.2 + 109.2 = 134.4m3 VolO2= 25.2/134.4 x 100% = 18.75% O2 Vol N2= 109,2/134.4 x 100% = 81.25% N2 Por lo tanto al ser: 18.75%. 18% no supone riesgo aunque este muy próximo. PROBLEMAS DE CONTAMINACION CON RESIDUOS SÓLIDOS 1.-
unos
En una determinada incineradora se queman diariamente 45 ton e residuos
que
contienen
varios
compuestos
mercúricos,
con
una
concentración total de 2 g de mercurio por kg de residuo. Si en el proceso de incineración el mercurio se emitiera en forma de átomos gaseoso, expresado tanto en ppm como en mg/Nm3, si el caudal de gases es de 15 Nm3/kg de residuo incinerado. SOLUCIÓN: Residuos: 45 TM = 45000 Kg Concentración: 2
g Hg kg residuo
2 gHg ( 45000 kg ) = 90000 g = 90 kgHg
Cantidad de Hg: kg Flujo de gases: 15
Nm 3 kgresiduo
Nm 3 3 Total de Gases: 15 x 45000 kgresiduo = 675000 Nm kgresiduo
Calculo de la concentración: 3 3 3 cm 3 90 kgHg 1molHg 10 cm 10 g = = 14 . 9 3 Nm 3 675000 Nm 200 .6 gHg 1l 1kg
Al hacer una auditoria ambiental en una empresa se detecta que sus
2.-
problemas medio ambientales son fundamentalmente: • Emisiones de óxidos de nitrógeno (medidos como dióxido de nitrógeno) de
400mg/Nm3. •Aguas con 60mg/l de butanol y un contenido de zinc de 250ppm. Calcule: a)
¿Cual debiera ser la eficacia del sistema de eliminación de
óxidos de nitrógeno a instalar si sus emisiones deben reducirse a 20 ppm? b)
¿Cuál será el DBO del agua residual si se considera que se
debe exclusivamente al butanol? c)
¿Cuántos ml de disolución 0.1 M de fosfato de sodio habrá que
añadir, por litro de agua residual, para eliminar el zinc que contiene, precipitándolo como fosfato de zinc, si el rendimiento del proceso es del 78 %? La eliminación del zinc, ¿Será completa? Justifique la respuesta. Si el fosfato de zinc generado en el apartado se retira en forma
d)
de lodos con un 46% de humedad, y sabiendo que el caudal de agua residual es de 0.5 m3/h ¿Cuál será el peso mensual de lodos retirados? SOLUCIÓN: a
10 3 cm 3 cm 3 400 mg 22 .41 1mol = 194 . 78 Concentración NO2 : 3 3 Nm 3 Nm 1mol 46 x10 mg 1l Concentración NO2
= 194cm3/Nm3
Emisión: 194.78 – 20 = 174.78pp Eficacia:
174 .78 x100 % = 89.73% 194 .78
b La reacción de biodegradación: CH 3 − CH 2 − CH 2 − CHO +
11 O2 → 4CO2 + 4 H 2 O 2
3 60 mg 5.5molO 2 1molC 4 H 8 O 32 x10 mgO 2 DBO = 3 l 1molC 4 H 8 O 72 x10 mg 1molO 2
DBO = 146 .67 c
mgO 2 lAgua
La reacción:
3Zn −2 + 2 Na3 PO4 → Zn3 ( PO4 ) 2 + 6 Na + 1molZn 250 mgZn 2molNa 3 PO 4 = l 3molZn 65 .39 x10 mgZn = 2.548 x10 −3 molNa 3 PO 4
M =
mlNa 3 PO 4 n n 2.548 x10 −3 mol ⇒V = = = 2.548 V M 0.1mol / l l
Rendimiento 78%: Vf =
mlNa 3 PO 4 25 .48 = 32 .66 0.78 lAgua Re sidual
La eliminación de Zn no es completa, permanece en disolución la cantidad de Zn correspondiente al producto de solubilidad del Zn 3 (PO 4 ) 2 d
El Zn 3 (PO 4 ) 2 ; como lodos: Cantidad de Zn 3 (PO 4 ) 2 :
1molZn 250 mlZn 1molZn 3 ( PO 4 ) 2 386 .11 gZn 3 ( PO 4 ) 2 = −3 l 3molZn 1molZn 3 ( PO 4 ) 2 65 .39 x10 mgZn gZn 3 ( PO 4 ) 2 = 0.492 ; lodosdeZn 3 ( PO 4 ) 2 − con 46 % deHumedad lAgua Re sidual =
kgZn 3 ( PO 4 ) 2 0.492 g 0.5m 3 24 h 30 días 10 3 l 1Kg x x x x x = 328 3 3 (0.54 )l h dia mes mes 1m 10 g
Las aguas residuales del prensado de pulpas de una industria
3.-
azucarera tienen un contenido de sacarosa (C12O22H11) de 2000mg/l y de sólidos en suspensión de 12 g/l. Sabiendo que su caudal es de 0.6 m3/ton de azúcar producido. Calcule para una azucarera que produzca 2000 ton mensuales de azúcar: a)
¿Cuál seria la DBO total de esta agua suponiendo que se
produce una oxidación completa de sacarosa? b)
Si para depurar las aguas residuales se opta por un proceso
anaeróbico, logrando que el carbono de la sacarosa se transforme en metano con un rendimiento del 70%. Calcule la cantidad de metano generado normales.
mensualmente,
expresado
en
m3medidos
en
condiciones
c)
Si los sólidos en suspensión se reducen hasta 30mg/l,
retirándose como lodos húmedos con una humedad de 65%. Calcule el peso mensual de lodos producidos. d)
¿Qué cantidad de carbón, de PCI 7300kcal/kg y contenido de
azufre de 1.8 % se podría ahorrarse mensualmente empleando en su lugar el metano generado en el proceso de depuración? ¿Cuáles serian las emisiones de SO2 a la atmósfera (expresado
e)
en ppm y en mg/Nm3) si en lugar del metano generado se emplea el carbón mencionado en el apartado d, teniendo en cuneta que las emisiones de gases a la atmósfera son de 8000 Nm3/tonelada de carbón? DATOS:
∆H º (CH 4 ) = −17 .9kcal / mol ∆H º (CO 2 ) = −94 .1kcal / mol ∆H º ( H 2 O ) = −57 .8kcal / mol SOLUCIÓN: a
Sacarosa C12H22O11 : 2000 mg/l Sólidos en suspensión: 2g/l Flujo de agua residual: 0.6m3/TM azúcar Producción: 2000TM azúcar/mes
Reacción de biodegradación: C12 H 22 O11 + 12 O2 →12 CO 2 + 11H 2O
32 x10 3 mgO 2 1molC 12 H 22 O11 2000 mgC 12 H 22 O11 12 molO 2 DBO = 1molC H O 342 x10 3 mgC H O 1molO l 12 22 11 2 12 22 11 mgO 2 = 2245 .6 lagua b En el proceso anaeróbico: C12 H 22 O11 bacterias →11CH 4 + 9CO 2 + 4CO
Calculo del volumen del metano CH4 : Flujo del agua Residual: = 0 .6
m3 2000 TMazucar x = 1200 m 3 / mes TMazucar mes
1molC 12 H 22 O11 2000 mgC 12 H 22 O11 1200 m 3 1molCH 4 = 3 0.7l mes 2molC 12 H 22 O11 342 x10 mgC 12 H 22 O11 22 .4lCH 4 Nm 3 CH 4 x = 1235 .08 mes 1molCH 4
c
Lodos : Sólidos en Suspensión: 12g/l =12000mg/l Lodos retirados: 12000mg/l -30mg/l = 11970mg/l =
11970 mg 1200 m 3 10 3 l 1TM TMlodos x x x 9 = 41 .04 3 (0.35 )l mes mes m 10 mg
d Cantidad de carbón: S = 1.8% ; C = 98.2% Se tiene la cantidad de CH4 de (b) :
= 1235 .08 m 3 CH 4 x = 882 .2 KgCH
1molCH 4 16 gCH x 22 .4lCH 4 1molCH
4 4
x
10 3 l 1kg x 1m 3 10 3 g
4
En la reacción del carbón C: 2C + 2 H 2 O → CH 4 + CO2
= 882 .2kgCH 4 x
2molC 1molCH
x 4
1molCH 16 gCH
4
x
4
12 gC 1223 .3kgC = 1molC 0.982
= 1347 .55 kgCarbón e
Las emisiones de SO2 : La reacción: S + O2 → SO2
Flujo: = 8000
Nm 3 x1.3475 TMCarbón = 10780 .44 Nm 3 gases TMcarbón
S = 0.018x(1347.55) = 24.256 Kg S
24.256 KgS 1molSO 2 1molS = 3 10780 .44 Nm 1molS 32 gS = 1575
64 gSO 2 22 .4lSO 2 1molSO 2 10 3 cm 3 10 3 g 1molSO 1molSO 64 gSO 1l 1kg 2 2 2
cm 3 = 1575 ppmSO 2 Nm 3
4 mgSO 2 24.256 KgS 1molSO 2 1molS 64 gSO 2 10 mg = = 4500 3 Nm 3 10780 .44 Nm 1molS 32 gS 1molSO 2 1kg
En una industria es preciso disponer diariamente de 12x106kcal. Si
4.-
para obtenerlas se quema un carbón de composición: 83%C; 7%H; 1.1%S; 8.9% de cenizas y PCI = 8500kcal/kg, calcule: a)
cual seria la concentración del dióxido de azufre en los gases
de emisión, sabiendo que el caudal de los mismos es de 6.7x103 Nm3por
tonelada de carbón incinerado. Exprésales en ppm y mg/Nm3 considerando que todas las medidas de gases se hacen en condiciones normales. Si los gases se lavan con una disolución de hidróxido de calcio,
b)
para eliminar las emisiones de dióxido de azufre en un 91%, calcule la cantidad de sulfato de calcio, con una humedad del 40% que se retira anualmente. Cual será la concentración de anion sulfato en el agua
c)
residual, si para el proceso indicado en el apartado anterior se ha empleado la cantidad estequiometrico de hidróxido de calcio. SOLUCIÓN: a)
Carbón:
PCI = 8500kcal/kg Q = 12x106 Kcal Wcarbón =
12 x106 Kcal = 1411 .76 Kg = 1.41176 TM 8500 Kcal / kg
COMPOSICIÓN DE CARBÓN: C = 83 %;
H = 7%;
S = 1.1%;
Cenizos = 8.9%
Cantidad de S = 0.011(411.76) = 15.53 KgS En la reacción de emisión: S + O2 = SO2 La cantidad de SO2:
= 15 .53 KgSx Flujo
1molSO 2 1molS 64 gSO 2 x x = 31 .06 KgSO 2 1molS 32 gS 1molSO 2
6.7 x10 3 Nm 3 x1.41176 TM TM carbón
carbón = 9458 .79 Nm 3
La concentración de SO 2 en ppm y mg / Nm3
=
31060 gSO 2 1mol SO 2 22 .41 SO 2 10 3 cm 3 x x x = 1149 .30 ppmSO 1molSO 2 11 9458 .79 Nm 3 64 gSO 2
=
mgSO 2 3106 x10 3 mg = 3283 .72 3 9458 .79 Nm Nm 3
La reacción del lavado: SO 2 + Ca ( OH 2 ) +
2
1 2 O → CaSO 2 + H 2 O 2
Eliminar el 91% de SO 2 en la emisión: 0.91 (31.06Kg) =28.26 Kg SO 2 La cantidad de Ca SO 2 :
= 28 .26 KgSO 2 x
1molCaSO 64 gSO 2
= 60 .05 KgCaSO 2 (sec o) x
=
100 .08 KgCaSO día
2
x
2
x
136 gCaSO 2 = 60 .05 KgCaSO 1molCaSO 2
2
100 gCaSO 2 (húmedo ) KgCaSO = 100 .08 60 gCaSO 2 (sec o) día
2
TMCaSO 2 (húmedo ) 30 días 12 meses 1TM x x 3 = 36 .03 1mes 1año año 10 Kg
↔ Ca −2 + SO4
La reacción iónica Ca SO 2
−2
Se tiene la Ks CASO 4 = 3.7 X 10 −3
][
[
Ks = Ca −2 SO 2
( s )( x ) = s 2
−2
] = 3.7 x10
−3
= 3.7 x10 −1
s = 3.7 x10 −1 = 6.0827 x10 −1
[SO ] = 6.0827 x10 −2
−3
2
mol 96 x10 3mg SO 4 x −2 1 1molSO 4
−2
[SO ] = 583.93 mg1 = 583.93 ppm −2
2
Una ciudad de 200000 habitantes genera 1.25 Kg. de residuos urbanos
5.-
pro persona y día, que se someten a un tratamiento de incineración. La densidad de los mismos es de 0.18 g/cm3 y el contenido de azufre es de un 0.5%. Calcule: a. Si todo el azufre se transforma durante la incineración en SO 2 ¿Qué cantidad
estequiómetrica de caliza, del 82% de pureza en carbonato de calcio, debe emplearse diariamente para eliminar, en forma de sulfato de calcio, el 96% de los óxidos de azufre generados? Exprese el resultado en toneladas. b. ¿Cuál será la concentración de SO2 en los gases de emisión depurados si para
cada kg. De residuo incinareado se genera 13 Nm3 de vertido cascajo? Exprésela en ppm y en mg/Nm3 c. Si las aguas residuales generadas en la misma planta arrastran 600 mg/l de
un compuesto orgánico biodegradable de fórmula C2H4O2, ¿cuál será la OBO total de dichas aguas originadas por el compuesto citado? d. Las aguas residuales contienen también 300 ppm de Pb -2. Para eliminar se
precipita como sulfato de plomo (II), añadiendo la cantidad estequiométrica de ión sulfato, a pesar de ello. ¿Cuánto Pb-2 quedará en el agua residual (exprésalo en ppm) e. Si el 15% del vertido incinerado permanece como cenizas de densidad 1.2 gcm3 ¿Qué volumen mínimo, expresado en m3, debiera tener el vertedero en el que van a depositarse si se pretende que tenga una vida útil de 60 años? SOLUCIÓN:
a. Nº habitantes =200000 Cantidad de residuos 1.25
Kg residuos x 200000 personas persona x día
Densidad del residuo incinerado 0.18 Azufre: S= 0.5%;
= 2500000
Kg residuo día
g cm 3
Cantidad de S = 0.005(2500000)=2500
(1) En la reacción de emisión S + O2 → SO2 1 Tratamiento CaSO 2 + SO 2 + o2 → CaSO 2 + CO 2 (2) 2 Cantidad de SO2 en (1):
KgSO 2 KgS 1molSO 2 1molS 64 gSO 2 x x x = 2500 día 1molS 32 gS 1molSO 2 día TMSO 2 Cantidad SO2 tratada 0.96 ( 2500 ) = 2400 Kg = 2.4 día KgSO 2 Cantidad SO2 emitidas 0.04 ( 2500 ) = 100 día Cantidad de Caliza: TMCaCO TMSO 2 1molSO 2 1molSO 2 100 gCaCO 3 = 2.4 x x x = 3.75 día 1molSO 2 64 gSO 2 1molCaCO 3 día
KgS día
= 1250
=
3.75TMCaCO ( 0.82 ) día
3
= 4.573
TMCaCO día
3
3
b. En la reacción de emisión S + O2 → SO 2 ; Emisión de SO 2 = 100 KgSO 2
Flujo de gas Concenración de SO 2
=
100 KgSO 2 1día 10 4 mg 22 .4 x10 3 cm 3 SO 2 1molSO 2 x = x = −1 3 1Kg 1molSO 2 325 x10 Nm 64 x10 3 mgSO 2
ppmSO 2 día 100 KgSO 2 1día 10 3 mg mgSO 2 = x = 30 .77 2 3 1kg 325 x10 Nm Nm 3 día
10 .77 cm 3 = 10 .77
c. En la reacción: C 3 H 4 O2 +
1 O2 → 3CO 2 + 3H 2 O 2
600 mgC 3 H 4 O2 1molC 3 H 4 O2 3.5molO 2 32 x10 3 mgO 2 DBO r = x x x 1 1molC 3 H 4 O2 74 x10 3 mgC 3 H 4 O2 1molO 2 DBO r = 908 .11 d. La reacción
mgO 2 1 −2
Ph− 2 + SO4 → PhSO4
Ph −2 + SO4
−2
→ PhSO4
K Nmim = 1.1xO
][
[
Ks = Ph − 2 SO4
2
]
La concentración de SO 4 :
= 300
mgPh 1
−2
1molSO 1molPh
2 4 −2
x
1molPh −2 207 x10 1 mgPh
[Ph ]en el agua residual .1x10 [Ph ][SO ] = 1.1X 10 .[Ph ] = 11.45 x10
−2
= 1.45 x10 −3
molSO 1
−2 4
−2
2
−2
1
−3
−2
4
[Ph ] = 1.57 mgPhl −2
−2
Residuos = 250000
= 1.57 ppmPh
−3
= 0.76 x10 x
mol 207 x10 1 mgPh x l 1molPh −2
−2
−2
Hg ; cenizas: 15% residuos incinerados día
Cenizas = 0.15 ( 250000 ) Kg / día 37500 Kg / día ; p = 1.2 gcm 3 = 1200 Kg / m 3 Volumen del vertedero: v =
m 37500 Kg / día m3 = = 31 . 25 p día 1200 Kg / m 3
m 3 30 día 12 meses x x x60 años Volumen vida útil para 60 años = día 1mes 1año = 675000 m 3 = 6.75 x10 1 m 3 = 31 .25
6.- Si el caudal del vertido líquido es de 15 litros es de 15 litros por segundo, calcule: a. La DQO del vertido, atribuible al ácido láctico. b. Si los sólidos en suspensión se eliminan por decantación, con un rendimiento
del 94%, generando unos lados de densidad 1.07% g/cm3 y humedad del 76% ¿Qué volumen anual de lados, expresada en m3 se obtendrá? c. Si el Cá(II)se precipita con hidróxido de cadmio, mediante alcalinización del
vertido hasta pH=8. ¿Cuál será la concentración residual del metal en el vertido una vez tratado?. Expréselo en ppm. SOLUCIÓN: a. La reacción debía degradación del ácido láctico: C1 H 6 O3 DBO = 400
3O2 + 3H 2 O mgC 1 H 6 O3 1molC 1 H 6 O3 3mol 10 2 32 x10 2 mgO 2 x x x l 1molC 1 H 6 O3 90 x10 2 C1 H 6 O3 1molO 2
DBO = 426 ,67
mgO 2 l
b. Sólidos en sus pensión 800 mg / I = 0.8 Kg / m 3
Vertido: 15/s=54 m 3 / h Rendimiento: 94% Densidad: 1.07g/c m 3 =1070Kg/ m 3 Humedad: 76% Lodos=
lodos ( húmedo 24 g lodos (sec o)
( 0.94 )0.8Kg ( sec o ) x 100 g m
3
) x 54 m 3 H
= 169 .2
Kg lodos h
Volumen de lados: c. Flujo =1250
Nm 3 gas Tm basura
a. Concentrac =
ion de SO 2
1.25 KgdeSO 2 1250 Nm 3 TM basura TM basura
10 3
= 10 −3
mg SO 2 1molSO 2 * Nm 3 64 * 10 4 mgSO
* 2
kgdeSO Nm 3
2
*
mg SO 2 10 4 mg = 10 3 1Kg Nm 3
22 .4 * 10 3 cm 3 SO 2 cm 3 = 350 = 350 ppmSO 1molSO 2 Nm 3
2
b.Concentrac ion de NO 2 =
1.5 KgdeNO 2 mg NO 2 10 4 mg −4 kgdeNO 2 = 12 * 10 * = 1200 3 3 1Kg 1250 Nm Nm Nm 3 TM basura TM basura
mg NO 2 1molNO 2 22 .4 * 10 3 cm 3 SO 2 cm 3 1200 * * = 584 ,34 = 584 .34 ppmNO 2 1molNO 2 Nm 3 46 ×10 3 mgSO 2 Nm 3 c.Concentrac ion de HC (hidrocarbu ros ) 14 Kgde Particulas mg HC 10 4 mg −4 kgdeHC = 6 * 10 * = 600 3 3 1Kg 1250 Nm Nm Nm 3 TM basura TM basura d ..Concentrac ion de particulas : =
mg Particulas 0.75 KgdeHC 10 4 mg −3 kgdeHC = 11 . 2 * 10 * = 11200 1Kg 1250 Nm 3 Nm 3 Nm 3 TM basura TM basura e..Concentrac ion deCO : =
=
18 Kgde CO mg HC 10 4 mg −4 kgdeHC = 14 . 4 * 10 * = 14400 3 3 1Kg 1250 Nm Nm Nm 3 TM basura TM basura
14400
mg CO 1molCO 22 .4 * 10 3 cm 3 CO cm 3 * * = 11520 = 11520 ppmNO 3 3 1molCO Nm 28 ×10 mgCO Nm 3
Una industria utiliza como combustible 500kg/dia de un gasoleo que
7.-
contiene 0.4% de azufre y emite a la atmósfera 1.5nm3de gas pro Kg. de gasoleo. a. Calcular la concentración de SO2 en los gases de emisión expresándolo en mg/Nm3 b. Si para depurar las emisiones se emplea un método SOLUCIÓN: a.Cantidad SO 2 en los gases de emision : kg kg ) =2 dia dia En la reaccion : S + O → SO 2
S =0.004 (500
=
64 ×10 −3 KgSO 2 KgSO 2 2 KgS 1mol deSO 2 1molS × × × =4 −3 dia 1mol S 1molSO 2 dia 32 ×10
=
1mol deSO 2 64 ×10 −3 KgSO 2 mgSO 2 2 KgS dia 1molS × × × = 5333 .33 −3 750 Nm 3 / dia 1mol S 1molSO 2 32 ×10 Nm 3
lareacccio n de depuracion se det er min a a la cantidad de caliza : SO 2 + CaCO 3 +
=
1 O2 → CaSO 4 + CO 2 2
4 KgSO 2 1mol deCaCO 3 1molSO 2 100 ×10 −3 KgCaCO 3 KgCaCO 3 × × × = 7.35 −3 (0.85)dia 1molSO 2 64 ×10 SO2 1molCaCO 3 Dia
Aguas residuales convertidos de acido acético
CH 2 − COOH = 300 mg / L Reacción de biodegradación:
C 2 H 4 O2 + O2 → 2CO 2 + 2 H 2 O 300 mgC 2 H 4O 2 2molO 2 1molC 2 H 4O 2 32 *10 2 mgO 2 * * * L 1molC 2 H 4O 2 60 *10 mgC 2 H 4O 2 1molO 2 mgO 2 DBO = 320 L DBO =
8.- Una industria tiene un ritmo de producción de 5000 unidades de producto por día y genera unas
aguas residuales con caudal de 20 l por unidad de
producción y unas emisiones en la atmósfera con un caudal de Nm3 de gas por unidad de producción a) si las aguas residuales poseen una DBO de 200 ppm de O2 y es atribuida la concentración de este compuesto en el vertido. b) Calcular la cantidad diaria de hipoclorito de sodio necesaria para eliminar completamente dicho DBO. Considere el proceso se realiza en medio básico consideraciones en q el hipoclorito se reduce hasta un Ion cloruro.
c) Si se estima una emisión a la atmósfera se 10^8 partículas por día. Calcular la concentración de partículas en el gas de emisión. SOLUCION: Producción = 5000 Unid/dia Agua Residual: Q=20L/unid l 5000 unid * = 10 4 l / dia unid dia Nm 2 5000 unid Nm 2 Emisión a la atmósfera = 2 * =10 4 unid dia dia a DBO = 200 ppmO 2 Producción de agua residual = 20
La reacción de biodegradación del propanoico (CH 3 −CH 2 −COOH ) C 3 H 4 O2 +
1 O2 → 3CO 2 + 3H 2 O 2
Concentración del propanoico: mgO 2 1molC 3H 4O 2 1molO 2 74 *10 3 mgC 3H 4O 2 * * * l 3.5molO 2 32 *10 2 mgO 2 1molC 3H 4O 2 132 .14 mgC 3H 4O 2 = l = 132 .14
La cantidad de NaClO, en la siguiente reacción: C 3 H 6 O2 + 7 NaClO → 3CO 2 + 3 NaCl + 3H 2 O
Calculo de NaClO mgC 3H 6O 2 7 molNaClO 1molC 3H 6O 2 74 *10 3 kgNaClO * = * l 1molC 3H 6O 2 74 *10 3 mgC 3H 6O 2 1molNaClO kgNaClO l kgNaClO 931 .23 *10 4 *10 4 = 931 .23 l dia dia
132 .14
Emisión de partículas: Emisión a la atmósfera: 10^5 partículas /día Q =10 3 Nm 2 / dia
concentrac iondeparti culas =
10 5 particulas / dia particulas = 10 2 3 2 10 Nm / dia Nm 2
9.- Una industria agraria quema diariamente 100 toneladas de un carbón que contiene 75% de carbono, un 4% de azufre y un 0.2% de cromo. Las emisiones de gas a la atmósfera
procedentes a dicha
combustión equivalen a
5500Nm^3/hora determine. a). La concentración de dióxido de azufre en el vertido gaseoso tanto en ppm y en mg/Nm3, si no se dota a la industria de un sistema de tratamiento de gases. b). Si el factor de emisión de óxidos de nitrógeno es de 1.8 kg de NO2 por
tonelada de carbón, y considere que el 90% corresponde a monóxido de nitrogeno NO, calcule la concentración de NO y NO2 en los gases de emisión expresándolas en mg/Nm3 si se realiza depuración alguna. c). Se genera 14 kg de escoria por cada 100 kg de carbón quemado, calcule el volumen anual de escoria producido, sabiendo que su densidad es de 0.85 g/cm3. Suponiendo que el cromo presente en el carbón se emitiese en un 1% a la atmósfera’ en forma de partículas de oxido de cromo y que el resto fuera arrastrado por aguas lavadas del horno y de las instalaciones de combustión, cuya caudal es de 80m3/dia, en forma de anion cromato. Calcule: a. La concentración de partículas de oxido de cromo (VI) en los gases de combustión. b. La concentración del cromato en el vertido. Expresada en ppm. c. La cantidad diaria de cloruro de calcio dihidratado, expresado en kg. Necesaria para precipitar estequiometricamente en anion cromato en forma de cromato de calcio. SOLUCIÓN: Carbón: 1000 TM/dia Contiene: C = 75 % := 0.75 * (100 ) = 75 TM / dia = 75000 Kg / dia S = 4% := 0.04 * (100 ) = 4TM / dia = 4000 Kg / dia Cr = 0.2% := 0.002 * (100 ) = 0.2TM / dia = 200 Kg / dia
Emisor de gases:= 5500Nm^3/h a. Concentración de SO2
: S + O 2 → SO2
=
4000 Kg S 1mol SO 1mol S 64*10−3 KgSO2 dia Kg SO2 * * * * = 333.33 −3 dia 1mol S 32*10 Kg S 1mol SO2 24h h
=
333.33Kg SO2 106 mg mgSO2 * = 60606.06 2 5500 Nm / h 1Kg Nm2
= 60606.06
mgSO2 22.4*10−3 cm3 1mol SO2 cm3 * * = 21212.12 Nm 2 1mol SO2 64*103 mg SO2 Nm2
= 21212.12 ppmSO2 b. Emisión de NO 2 =1.8Kg/TMcarbon
Kg NO2 1.8Kg 100TM carbon * = 180 TM carbon dia dia Cantidad : NO = 0.90(180) = 162 Kg NO / dia = 6.75 Kg NO / h NO2 = 0.10(180) = 18 Kg NO2 / dia = 0.75Kg NO2 / h Q=
Concentracion : 6.75 Kg NO / h 106 mg KgNO = * = 1227.27 3 5500 Nm / h Kg Nm3 0.75 Kg NO2 / h 106 mg KgNO2 = * = 136.36 3 5500 Nm / h Kg Nm3 Escorias=
14 KG 100000 Kgcarbon Kg escorias * =14000 100 Kgcarbon dia dia
ρescoria = 0.85 g / cm3 = 850 Kg / m 3 14000 Kg / dia m 3 365dias escoria m 3 = 16.47 * = 6011.55 850 Kg / m3 dia año año Emision de cromo a la atmosfera :1%; = 0.01*( 200 Kg / dia) = 2 KgCr / dia Volumen = v = m / ρ =
=2
KgCr dia 103 g gCr * = 83.33 dia 24h 1Kg h
Q = 80m 3 / dia = 3.33m 3 / h # concentracion dela paricula de CrO 3en los gases de emision : la reaccion : Cr + 3 / 2O 2 → CrO 3 = 83.33 =
gCrO3 gCr 1molCrO3 1molCr 100 gCrO3 * * * = 160.25 h 1molCr 52gCr 1molCr O3 h
160.25 gCrO3 / h 106 mg mgCrO3 * = 29.14 2 5500 Nm / h 1g Nm 2
= Concentracion de CrO 3−2 en el vertido :Cantidad deC r que queda : = 0.99(200) = 198 KgCr / dia = 8250 gCr / h Enla reaccion Cr + 2O 2 → CrO 4−2
= 8250
gCrO4−2 gCr 1molCrO4−2 1molCr 116 gCrO4−2 * * * = 18403.85 h 1molCr 52 gCr 1molCrO4−2 h
18403.85 gCrO4−2 / h 106 mg 1m3 mg = * * = 5521.15 = 5521.15 ppmCrO4−2 2 3.33 Nm / h 1g 1l l cantidad de CaCl2 .2 H 2O En la reaccion CaCl2 .2 H 2O + CrO4−2 → CaCrO4 + 2 H 2 O + Cl2 cantidad de CrO4−2 : 18403.85 g / h = 441.69Kg / dia = 441.69
KgCrO4−2 1molCaCl2 .2 H 2 O 1molCrO4−2 147 gCaCl2 .2 H2 O * * * dia 1molCrO4−2 116 gCrO4−2 1molCaCl2 .2 H2 O
= 559.73
KgCaCl2 .2 H 2O dia
