Diseño de un analizador de bajo coste para el ablandamiento de aguas

Salinas Fernández, Javier (2017). Diseño de un analizador de bajo coste para el ablandamiento de aguas. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Diseño de un analizador de bajo coste para el ablandamiento de aguas
Author/s:
  • Salinas Fernández, Javier
Contributor/s:
  • Fuente García-Soto, María del Mar de la
  • Peso Díaz, María Isabel del
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería Química
Date: 2017
Subjects:
Freetext Keywords: Agua, dureza, ablandamiento, pH, intercambio iónico, Arduino, MATLAB
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El agua es un recurso natural prácticamente imprescindible en la mayoría de las actividades industriales, pero no siempre se puede utilizar tal y como se obtiene debido a que sus características físicas o químicas no cumplen los requisitos mínimos para garantizar un correcto funcionamiento de los equipos industriales. Entre estas características que hay que controlar se encuentran la materia en suspensión, la turbidez, el pH, la temperatura y la dureza, siendo esta última la característica en la que se centra este Trabajo Fin de Grado. La dureza puede definirse como la concentración de cationes metálicos no alcalinos en un determinado volumen de agua. Los dos cationes predominantes son el Ca2+ y el Mg2+. La similitud entre las sales que forman estos dos cationes hace que la dureza se exprese comúnmente, en España, como mg CaCO3/L. Las alimentaciones que se usan a lo largo de los diferentes ensayos de este proyecto consisten en una disolución de CaCl2.2H2O en agua destilada, de manera que dicho compuesto es el que proporciona los iones de Ca2+. A lo largo del último siglo se han empleado numerosos métodos para eliminar la dureza del agua, desde algunos muy simples hasta otros muy complejos. El intercambio iónico es uno de estos métodos, usado hoy en numerosas instalaciones industriales que precisan de agua con la mínima dureza posible para no dañar sus equipos. Entre las ventajas del intercambio iónico se encuentra su relativa sencillez de aplicar y su alta eficacia. El intercambio iónico se realiza con una resina, que son esferas poliméricas de un diámetro muy pequeño. Estas esferas tienen en su superficie iones que son los que se intercambian con los iones presentes en el agua. Estos iones de la resina pueden ser cationes o aniones, aunque como lo que se quiere eliminar es la dureza, a lo largo de este proyecto se ha trabajado con cationes, para lo que se ha utilizado un tipo concreto de resinas, las fuertemente ácidas (SAC). La resina no tiene capacidad infinita, llega un momento en que ya no tiene más iones para intercambiar, es en este momento cuando se dice que se encuentra saturada. Para poder usarla otra vez es preciso regenerar la resina, para lo que se emplea un ácido fuerte, HCl o H2SO4, en el caso de las resinas fuertemente ácidas. La cantidad de ácido a utilizar varía dependiendo si este es clorhídrico o sulfúrico, siendo el primero el que ofrece mejor rendimiento. Una vez regenerada, la resina puede volver a usarse. Un ciclo completo consiste por tanto en realizar el intercambio iónico hasta que se sature la resina y posteriormente regenerarla. Al principio de un ciclo todos los iones Ca2+ presentes en el agua de alimentación a la columna de intercambio iónico quedan atrapados en la resina, por lo que el efluente que sale de la columna no presenta apenas ninguno de estos iones. A medida que avanza el ciclo la concentración de los Ca2+ en el efluente comienza a aumentar, hasta que se llega a un momento, conocido como punto de ruptura, en el que esta concentración aumenta considerablemente. A partir de ese instante la concentración en el efluente es prácticamente igual que la de la alimentación, lo que indica que la resina ya se ha saturado completamente. La curva que describe la variación de la concentración del ion en el efluente se conoce como curva de ruptura. La utilización de las resinas de intercambio iónico se lleva realizando desde hace años, por lo que su uso para ablandar el agua no presenta en sí una gran novedad. La determinación del punto de ruptura es la clave en este tipo de procesos, ya que es a partir de este momento cuando la dureza del agua aumenta, y por lo tanto su uso podría dañar los equipos que intervienen en el proceso industrial. Los dos métodos más usados actualmente para determinar el punto de ruptura consisten en, uno de ellas, realizar una determinación de la dureza del efluente de la columna mediante volumetría y el otro en medir la conductividad de ese mismo efluente, que posteriormente se relaciona con los mg CaCO3/L disueltos. Ambos métodos son útiles pero presentan algunos inconvenientes: la primera de ellas conlleva el coste de los reactivos necesarios para realizar la volumetría; y la segunda no está suficientemente estudiada. Como solución alternativa se propone en este proyecto determinar el punto de ruptura mediante la medida del pH, el cual viene definido por el logaritmo decimal de la concentración de los iones H+ con signo contrario. Este método destaca por la simplicidad de medir el pH, para lo que únicamente se necesita un electrodo. Al usar una resina fuertemente ácida en la forma H+ tiene lugar la reacción de intercambio con el calcio descrita anteriormente, por lo que al avanzar el ciclo va variando la cantidad de iones Ca2+ que se intercambian y a su vez la concentración de los iones H+ en el efluente, lo que, a la vista de la fórmula situada arriba, conlleva una variación en el pH, que también vendrá dada en una curva de ruptura. Esta concentración será alta al principio del ciclo (pH bajo) e irá disminuyendo a medida que este avance (pH aumenta). Igual de importante que determinar correctamente el punto de ruptura es tener una instalación que requiera lo menos posible la intervención del ser humano en el día a día, por lo que se pretende conseguir un analizador que sea barato, sencillo y preciso. Para ello se emplea en este proyecto una placa de Arduino y otros dispositivos electrónicos que permiten realizar las mediadas de pH sin que tenga que estar una persona presente. El efluente de la columna de intercambio iónico es recogido en un recipiente de plástico, donde está introducido un electrodo de pH para medir este parámetro. Cuando el nivel de líquido recogido es suficientemente alto para que el electrodo esté cubierto totalmente se envía una señal desde este hasta la placa de Arduino. A su vez, en el fondo del recipiente de plástico hay una electroválvula que se abre para vaciar el líquido contenido, que se recoge en un vaso de precipitados para posteriormente determinar su dureza mediante volumetría con AEDT. La placa de Arduino recibe la señal desde el electrodo, la interpreta y la envía por medio de una conexión USB al ordenador que se utiliza, donde con MATLAB se consigue la traducción de la señal y se representa en una gráfica que representa la curva de ruptura de pH. Además, cuando se llega al pH asociado al punto de ruptura suena una alarma por medio de un zumbador indicando que dicho valor ya se ha superado. Las principales ventajas del uso de Arduino son su simplicidad a la hora de programar, ya que es un lenguaje muy similar al C++; su bajo coste, ya que todos los dispositivos electrónicos cuestan muy pocos euros; y su facilidad para aprender a utilizarlo, con numerosos foros por todo internet que sirven de mucha ayuda y una gran comunidad de usuarios que comparten todo tipo de experiencias. Los resultados finales de los ensayos realizados muestran que esta forma de control es adecuada y validan el procedimiento llevado a cabo, ya que donde se encuentra el punto de ruptura de la curva de la dureza se encuentra también ese mismo punto para la curva del pH, asegurando de esta forma que el control de una variable a partir de la otra se puede realizar.

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Item ID: 47394
DC Identifier: http://oa.upm.es/47394/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:47394
Deposited by: Biblioteca ETSI Industriales
Deposited on: 28 Jul 2017 07:15
Last Modified: 28 Jul 2017 07:15
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