La neutralización de las cargas eléctricas de los colóides en suspensión en las aguas, es la condición primordial para una buena depuración por coagulación y floculación, aun cuando en el fenómeno de la coagulación-foculación influyen también otros factores muy importantes.

En el proceso de tratamiento del agua, la coagulación la definimos como el resultado de la acción electroquímica producida en el agua por la adición de los coagulantes químicos, con lo cual se reducen las cargas eléctricas superficiales de las partículas coloidales, a la vez que se forman hidróxidos complejos. Estas reacciones se producen normalmente de un modo instantáneo, sin otro tiempo que el de la mezcla de los reactivos con el agua.

La floculación consiste en la reunión de los coágulos formados, venciendo las fuerzas de repulsión y consiguiendo la precipitación de los hidróxidos. Este proceso requiere un cierto período de tiempo.

Al poner en contacto las partículas coloidales con el electrolito, que en nuestro caso son los coagulantes químicos, los iones de signo opuesto al de la partícula coloidal, que quedan en exceso en la disolución y que rodean ala partícula, forman con ésta una «doble capa eléctrica». Parte de estos iones quedan fijados al sólido por fuerzas electrostáticas de adsorción y los demás constituyen una zona de difusión, hasta llegar a una distribución iónica uniforme en el líquido. La diferencia de potencial de esta capa difusa se conoce como «potencial electrocinético o potencial Z».

La mayor parte de las sustancias que se ponen en contacto con un medio polar, como el agua, adquieren una carga eléctrica superficial por ionización o adsorción de iones, o ambas cosas a la vez.

En un sistema en el que están dispersas moléculas o partículas coloidales cargadas, ha de haber iones con carga contraria para que exista una electroneutralidad, a estos iones se les llama contra-iones, tambien puede haber iones del mismo signo que la partícula coloidal, a los que se llama co-iones.

La teoría de la doble capa eléctrica se ocupa de la distribución de los co-iones y contra-iones en la proximidad de la superficie de una partícula que se encuentra en un medio polar y, como consecuencia, se ocupa, a la vez, de los potenciales eléctricos que existen en esta zona.

Por una parte, los contra-iones tienden a unirse a la superficie de la partícula para neutralizar su carga, pero, por otra, la agitación térmica impide que se forme una doble capa eléctrica compacta, o sea que en las proximidades de la superficie de una partícula coloidal cargada hay un aquilibrio entre las fuerzas eléctricas de atracción de contra-iones y repulsión de co-iones y la agitación térmica que tiende a producir una distribución de los contra-iones en el seno del líquido. Al haber un exceso de estos contra-iones proximos a la superficie de la partícula cargada, originan un apantallamiento que debilita la atracción electrostática hacia los contra-iones que se encuentran más alejados de ella y, por tanto, si se observa el potencial eléctrico, se notará que al principio disminuye rápidamente y despues muy lentamente, al ir siendo mayor la distancia a la partícula, hasta llegar a un potencial teóricamente nulo, a la distancia infinita de la superficie de la partícula, donde ya la distribución de las cargas es es uniforme ( Fig.1-2), es decir, se crea una "doble capa" eléctrica difusa, debido al efecto combinado de las fuerzas eléctricas y la agitación térmica. Esta doble capa es llamada tambien de Gouy Chapman.

Fig.1-2

Usando sulfato de alúmina como coagulante, podemos expresar la reacción de ionización en el agua así :  

(SO₄)₃ Al₃ ==== 2 Al⁺⁺⁺ + 3 SO₄=  

Al reaccionar los iones Al+++ con los iones hidróxilo, consecuencia de la alcalinidad del agua (bicarbonatos) o por la cal apagada o sosa añadidas si era insuficiente, se formará hidróxido de aluminio:

(SO₄}₃ Al₂ + 3 (CO₃.H}Ca ==== 2 Al (OH}₃ +

+ 3 SO₄CA + 6 CO₂

(SO₄}₃ Al₂ + 3 Ca (OH}₂ ==== 2 Al (OH}₃ + 3 SO₄Ca

(SO₄}₃. Al₂ + 3 CO₃Na₂ +3H₂O ==== 2 Al (OH}₃ +

+ 3 SO₄Na₂ + 3 CO₂

Para cada tipo de agua hay un pH óptimo, en el que la precipitación de hidróxido de aluminio es máxima

Las anteriores reacciones son reversibles, y, por otra parte, si la dosis de álcali utilizado es insuficiente o excesiva, puede dar lugar a la formación de sales básicas o ácidas de aluminio (aluminatos) bastante complejas y, además, son solubles, motivo este por el cual el agua filtrada puede contener indicios de aluminio, mientras que el hidróxido de aluminio formado a un pH determinado no es soluble, por lo que difícilmente pasará a través del filtro en la fase de filtración, subsiguiente a la coagulación, floculación y sedimentación.

La coagulación depende de una serie de características físico-químicas del agua y muy especialmente del pH. Se sabe que para unas determinadas aguas hay una zona de pH en la que una dosis mínima de la sal de Al⁺⁺⁺ origina una coagulación óptima, lo que dará lugar a la formación de un buen flóculo; así, vemos en la figura 5 que para un agua determinada, en el que se ha ido variando su pH inicial, se observa que para pH iniciales comprendidos entre 6,9 y 8,0, el pH óptimo de coagulación (potencial zeta = 0) se sitúa en la región de 6,7 a 6,9, mientras que también se ha observado que a medida que el pH inicial del agua se hace mayor, la dosis de coagulante requerida para la anulación del «potencial Z» también es mayor  pudiendo deducirse  que para los pH iniciales más elevados, una parte importante del sulfato de alúmina es empleada en la acidificación, por tanto , podría acidificarse previamente el agua, mediante ácidos y economizarse así parte del sulfato de alúmina.

  Por otra parte, la superdosis de sulfato de alúmina, con objeto de bajar el pH, puede, a la vez, originar la formación de un abundante precipitado de hidróxido de aluminio, menos denso que el flóculo formando en la neutralización de los coloides por las cantidades requeridas de sulfato de alúmina y la acidificación previa si es necesario.  

La hidrólisis del sulfato de alúmina debe ser total, para asegurarse que nada pase al agua filtrada. Siendo el pH de hidrólisis total del sulfato de alúmina del orden de 6,5- 7,5, a pH inferiores o superiores, puede quedar en solución y encontrarse por tanto en el agua filtrada.

De los anteriores conceptos se deduce que para obtener una buena coagulación se debe trabajar a un pH comprendido entre el de hidrólisis y el de coagulación, y, por otra parte, para que la coagulación origine una buena floculación se deberá usar la menor dosis posible de sulfato de alúmina. .

Vemos, pues, que estos tres factores de hidrólisis, coagulación y floculación se deben controlar continuamente, podemos decir entonces que de la naturaleza del agua dependerá el pH con el cual se produce la mejor coagulación, y para que el agua filtrada contenga los menores indicios posibles de Al⁺⁺⁺ se deberá operar a un pH comprendido en el de hidrólisis total.

Lógicamente, por la hidrólisis del sulfato de alúmina el pH del agua disminuye, pudiendo llegar a ser agresiva, y entonces es posible que sea necesario incorporar un reactivo que eleve este pH, generalmente se suele utilizar hidróxido cálcico, esta elevación del pH se debe realizar después de adicionado el coagulante, pues en, caso contrario puede dar lugar a la disolución de algunas materias sólidas, generalmente orgánicas, con lo que podrían escapar a la filtración y pasar al agua filtrada.

También es posible que el pH óptimo para una buena coagulación comunique al agua ya decantada un cierto carácter agresivo, por lo que debemos aumentar, posteriormente, este pH.

Como la coagulación resulta de la neutralización de las cargas eléctricas de los coloides y del hidróxido de aluminio (usando sulfato de alúmina como coagulante ), puede ocurrir que si después de coagulada el agua, se eleva el pH, la carga eléctrica de los hidróxidos se invierta, originándose una repulsión entre los hidróxidos y los hidróxidos-coloides, al cargarse negativamente ambos, con lo cual los flóculos formados se deshacen pasando todo a su primitivo estado de coloide. Para evitar este inconveniente, el pH de un agua coagulada no se debe elevar antes de haberle eliminado los flóculos.

En la coagulación se están empleando actualmente coadyuvantes para favorecer la coagulación con el sulfato de alúmina, al formar flóculos más cohesionados y densos.

El sulfato de alúmina da lugar, por hidrólisis, a un precipitado de hidróxido de aluminio, que tiene una carga eléctrica positiva ( en la zona de pH bajo a que se trabaja), que, como ya se indica, neutraliza a las partículas de signo opuesto que existen en el agua, pero al ser adsorbidas estas partículas del agua por el coagulante suele quedar una carga eléctrica positiva residual en la superficie de los agregados formados entre coagulante y partícula, que origina una repulsión entre estos agregados (flóculos), que puede ser superior a las fuerzas de cohesión, con lo cual se impide que la aglomeración continúe.  

Otros ayudantes de la coagulación, que también se emplean en el tratamiento del agua, son los polielectrolítos. Un polielectrolíto es un polímero que puede disociarse dando iones cargados eléctricamente, estos polímeros son de alto peso molecular, un ejemplo de estos productos son las poliacrilamidas.

Cuando el agua se trata únicamente con sulfato de alúmina, sólo se consume una parte del sulfato de alúmina para realizar la precipitación de color y de la materia coloidal, actuando el resto como floculante de una eficacia relativamente baja, formando un gel de hidróxido de aluminio que va englobando a los coagulos formados, originando la coprecipitación.

El uso de los coadyuvantes de floculación permite reducir la dosis de sulfato de alúmina hasta la cantidad suficiente para eliminar la materia coloidal y el color, ya que el poder floculante del coadyuvante es superior al del sulfato de alúmina.

En ensayos realizados con objeto de observar la reducción en la turbiedad del agua, después de floculada y decantada, sin el empleo de coadyuvante alguno y con el empleo de alguno de ellos, se ha llegado a obtener una reducción en la turbiedad de hasta el 60 % más que en los ensayos en que se empleó sólo sulfato de alúmina sin coadyuvante alguno.  

CINETICA DE LA FLOCULACION

La velocidad de floculaclón de una dispersión coloidal o sol, depende de la frecuencia del choque de las partículas entre sí y de la probabilidad de que su energía térmica sea lo suficientemente grande como para superar a la energía potencial de repulsión para la floculación cuando los encuentros entre las partículas tienen lugar.

Considerando que no haya barrera de energía potencial y que cada choque entre las partículas dé lugar a un contacto permanente, Smoluchowski desarrolló una teoría de floculación rápida. Supone que la floculación sólo está controlada por la difusión, en el caso de un sol mono-disperso en que las partículas sean esféricas se tendrá:  

n = n_o/(1 + 4p . D . a . n_o . t)  

donde n es el número de partículas por mililitro al cabo de un tiempo de floculación t, n₀  el número inicial de partículas por mililitro, a, el radio efectivo de las partículas y D, el coeficiente de difusión.

Conociendo el valor del coeficiente D, resulta posible, por medio de la anterior ecuación, calcular, por ejemplo, el tiempo necesario para que el número de partículas llegue a ser la mitad, un tercio, etc., del número inicial de partículas.

La cinética de la floculación se puede estudiar al estabilizar la dispersión coloidal por medio de gelatina en un momento dado ya ciertos intervalos de tiempo y contar entonces las partículas con la ayuda de un ultramicroscopio.

En el caso de existir una barrera de energía potencial de repulsión, sólo algunos de los choques entre las partículas darán lugar a contactos permanentes, no pudiéndose, por tanto, aplicar las fórmulas anteriores, es decir, la energía potencial retrasa la velocidad de floculación.

Debido a la complejidad de las reacciones entre las sustancias del agua y los reactivos añadidos, la influencia del pH, temperatura, grado de agitación, etc., es difícil hallar la dosis de reactivos exacta, necesaria para obtener una buena coagulación, aún cuando se conozcan las sustancias presentes en el agua.

En la práctica, para conocer la dosis óptima de sulfato de alúmina, hidróxido cálcico u otro reactivo, así como el pH óptimo, se recurre a los ensayos de floculación en laboratorio, con los cuales, y mediante tanteos, llegamos a conocer las dosis óptimas de reactivo, según el período y grado de agitación escogido.

Para realizar estos ensayos de floculación, se utiliza un floculador, que en esencia es un agitador formado por una serie de vasos, en cada uno de los cuales se introduce una paleta agitadora, accionada por un motor eléctrico, que comunica las mismas revoluciones a todas las paletas. En los vasos, generalmente de un litro de capacidad, se introduce el agua con los reactivos correspondientes. Para que los resultados de los vasos sean comparables, la velocidad de rotación de cada paleta, como ya hemos dicho, deberá ser igual. Las paletas deberán poder girar entre 20 y 200 rpm.

El modo de proceder es el siguiente :

-Se toma un litro de agua a ensayar en cada uno de los vasos del agitador, habiéndose determinado previamente algunas de las características más importantes del agua, tales como turbiedad, color, pH y alguna otra que también interese, según el tratamiento al que posteriormente se va a someter.

-Puesta en marcha la agitación, se van añadiendo a cada vaso las dosis de los reactivos a emplear que, como primera aproximación, se hayan escogido.

A mayor escala, dentro ya de la Estación de Tratamiento, generalmente el coagulante se suele introducir antes que el álcali, de igual modo que el cloro usado en precloración puede ser más eficaz adicionándolo antes que el coagulante, de todas formas, los ensayos de laboratorio son los que permiten ver el orden en la dosificación.

-La agitación se mantendrá durante 20 minu tos, siendo conveniente los dos primeros minutos agitar a la máxima velocidad y los restantes, a la velocidad que se haya escogido, generalmente 50 r /m.

-Se anota el momento en que en cada vaso aparece el primer flóculo visible, de igual modo, al final de la agitación se anota el aspecto, cantidad y tamaño de los copos y cualquier observación que, posteriormente, nos pueda servir para diferenciar un vaso de otro.

-Finalizada la agitación se dejan en reposo todos los vasos un determinado tiempo, generalmente 10 minutos, para que sedimenten los flóculos formados

-A continuación se decanta una porción de agua de las partes superiores de cada vaso, midiendo en estas muestras de agua decantada el color, turbiedad y pH principalmente. También puede hacerse más completo el ensayo pasando una parte del agua decantada de cada vaso por un filtro de papel y medir después el color y turbiedad del agua filtrada.

-Por último, se interpretan los resultados obtenidos, de forma tal que las dosis de reactivos añadidos a la muestra en la cual la reducción del color y turbiedad del agua decantada sea mayor, las consideremos como las dosis óptimas. 

Generalmente, estos ensayos deben realizarse manteniendo constante, ya sea el p H, y variando las dosis de coagulante y coadyuvante o a la inversa. También deben ensayarse diversos pe- ríodos y velocidades de agitación.

En el cuadro siguiente resumimos los resultados de un ensayo de coagulación-floculación en vaso, en el que el pH óptimo de coagulación y la dosis de coadyuvante polielectrolito se ha comprobado por ensayos anteriores de tanteo, que eran 6, 9 y 0,1 respectivamente. Tratamos ahora de conocer la dosis óptima mínima de coagulante y la del álcali.

A la vista del resultado visual y el análisis del agua decantada, vemos que una dosis de 20 ppm es, en este caso, la más óptima para 0,1 ppm de polielectrolito y un pH de coagulación de 6,9.

Las dosis de reactivos vienen dadas en ppm (partes de millón), equivalente a mg de reactivo por litro de agua. La unidad de medida usada para el color es la unidad AlIen.Hazen ( cloroplatinato potásico-cloruro de cobalto) y la unidad de medida para la turbiedad la NTU (Unidad Nefelométrica de Turbided).

Obtenida la dosis óptima aproximada del coagulante, se tratará por medio de otro ensayo ajustar más esta dosis, realizando otra serie con dosis, por ejemplo, de 18, 19, 20, 21 y 22 ppm de sulfato de alúmina.