2013-1 ICH2304 2 Capítulo 3a plus.pdf

7/22/2019 2013-1 ICH2304 2 Captulo 3a plus.pdf

1/134

ICH 2304 Ingeniera AmbientalSeccin 2Primer Semestre 2013

Profesor: Ignacio Vargas


2/134

1.

Principios fsicos, qumicos ybiolgicos2. Aguas residuales3.

Contaminacin de aguas receptoras4. Principios para el tratamiento deaguas residuales

5. Plantas de tratamiento de aguasresiduales

2


3/134

Henry y Heinke. Ingeniera Ambiental.

! Captulo 6. Fsica y qumica. (completo)

Nazaroff y lvarez-Cohen. EnvironmentalEngineering Science.

! Captulo 5. Transport and Transformation Models (pto 5.A)! Captulo 2. Water, Air, and Their Impurities (pto 2.C)

3


4/134

a. Dispersin de partculas.b. Soluciones y reacciones qumicas.c. Gases, mezclas gaseosas y transferencia gas-lquido.d. Tipos de reactores.e. Balance de masa.f. Cintica de reacciones.g. Microorganismos.

4


5/134

!Partcula:Porcin de materia slida, lquida o gaseosa mayorque una sola molcula pequea (> 1 nanmetro nm,1 nm = 1x10-9m)

5


6/134

Tamao de partcula

!Coloides:Partculas entre1 nm y 1000nm.

6

Nazaroff y lvarez-Cohen


7/1347

Problemas ambientales causados por lapresencia de partculas en el agua

!Transmisin de enfermedades a travs demicroorganismos patgenos alojados enpartculas.

!Transporte de sustancias txicas (e.g.metales pesados, compuestos orgnicos).

!Disminucin de la visibilidad (turbiedad)



8/1348


TurbidezExpresin de la propiedad ptica de una muestra de agua quecausa que los rayos de luz sean dispersados y absorbidos enlugar de ser transmitidos en lnea recta a travs de lamuestra.

! Disminuye la calidad esttica del agua.

! Impide el paso de la luz (energa) afectando ecosistemasacuticos.

Unidad de medicin:NTU (nephelometric turbidity units)



9/134

Ingeniera Ambiental ICH2304

http://www.directindustry.it/prod/eutech-instruments/turbidimetri-portatili-23595-247709.html

Turbidmetro


10/13410


!Cuantificacin de partculas



11/134

!Balance de fuerzas sobre la partcula:

FR= FE FB FD

FE: Fuerza externa sobre la partcula (gravedad)FB: Fuerza de flotacin (bouyancy force)FD: Fuerza de friccin o de resistencia al avanceque se opone a la sedimentacin de la partcula

(drag force)FR: Fuerza resultante (igual a 0 cuando se alcanzavelocidad terminal)

Sedimentacin de una partcula en un fluido

11

Henry y Heinke. Ingeniera Ambiental


12/134

!Velocidad terminal de sedimentacin utparacondicin de flujo laminar (Ley de Stokes):

!p: densidad de la partcula!: densidad del fluido

g: aceleracin de la gravedaddp: dimetro de la partcula": viscosidad dinmica

!!

18

g 2ppt

d

u

"

=


12


13/134

!Tarea para la casaElaborar desarrollo matemtico para ir de:

18

dg!!u

2

pp

t

!

=FR= FE FB FD


13


14/134

! Ejemplo 6.1 (del texto de Henry and Heinke)

Calcule la velocidad de sedimentacin de dos partculasesfricas (a) 0,1 mm y (b) 0,001 mm de dimetro en aguainmvil con una temperatura de 20C. La densidad relativa de

las partculas es 2,65. Suponga condiciones de flujo laminar.Un tiempo de retencin comn para tanques de sedimentacines de 2 horas Se asentarn estas partculas hasta el fondo deun tanque de 3,5 m de profundidad en el tiempo?


14


15/134


Este tipo de sedimentacin considera partculasdiscretas sin interaccin entre ellas (tipo I).

Existen otros tipos de sedimentacin:

! Sedimentacin floculenta (tipo II)! Sedimentacin en zona (tipo III)! Sedimentacin de compresin (tipo IV)

15


16/134

! Iones en aguas naturales! Electroneutralidad!

Dureza! pH! Alcalinidad

16

! Reacciones de disolucin-precipitacin! Reacciones cido-base


17/134


tomos y molculas que tienen carga elctrica

! Cationes: carga positiva (+)! Aniones: carga negativa (-)

Ion Smbolo Agua de mar (M) Agua de ro (M)

Sodio Na+ 0,47 0,23x10-3

Magnesio Mg2+ 0,053 0,15x10-3

Calcio Ca2+ 0,010 0,33x10-3

Potasio K+ 0,010 0,03x10-3

Cloruro Cl- 0,55 0,16x10-3

Sulfato SO42- 0,028 0,07x10-3

Bicarbonato HCO3- 0,0024 0,86x10-3

17


18/134


! En agua se conserva la electroneutralidad

! Uso del principio de electroneutralidad

EjemploDetermine la confiabilidad del siguiente anlisis de aguas

CONC. CONC.

Catin mg/L Anin mg/L

Ca2+ 93,8 HCO3- 164,7

Mg2+

28,0 SO4=

134,0Na+ 13,7 Cl- 92,5

K+ 30,2

18


19/134


Equilibrio anin-catin transformando a meq/L

Verificacin de la precisin:Error relativo = 2,7% < 5% OK

CATION ANION

conc. conc.

Ion mg/L mg/meq meq/L Ion mg/L mg/meq meq/L

Ca2+ 93,8 20,0 4,69 HCO3- 164,7 61,0 2,74Mg2+ 28,0 12,2 2,30 SO4

= 134,0 48,0 2,79

Na+ 13,7 23,0 0,60 Cl- 92,5 35,5 2,61

K+ 30,2 39,1 0,77

Total 8,36 8,14

19


20/134


!Suma de las normalidades de todos los

cationes multivalentes(carga +2 o mayor)!Generalmente los iones que contribuyen a

la dureza en el agua potable son Ca2+yMg2+(tambin pueden ser importantes elFe3+y el Al3+).

Dureza

eq/L][Mg][CaDureza 22 ++

+=

20


21/134


! La dureza (y la alcalinidad) se expresa como:a) Equivalentes (normalidad)b) mg/L de carbonato de calcio (CaCO3)Nota: 1 meq/L = 50 mg/L como CaCO3

! Clasificacin cualitativa de la dureza del agua

! Ejemplo 6.6. Henry y Heinke, Ingeniera Ambiental(Clculo de la dureza de una muestra de agua)

Dureza

ClasificacinDureza

meq/L mg CaCO3/L

Blanda < 1,5 < 75

Moderadamente dura 1,5 3 75 150

Dura 3 6 150 300

Muy dura > 6 > 300

21


22/134

Ingeniera Ambiental ICH2304 22

Parameter Unit ValueTotal copper mg/L 0.07Dissolved copper mg/L 0.07Iron mg/L 0.045Chloride mg/L 15.6Total alkalinity mg CaCO3/L 80Total hardness mg CaCO3/L 160Sulfate mg/L 30.2Nitrate mg/L 3.2Phosphate mg/L 1.66pH - 6.0Dissolved oxygen mg/L 8.11Conductivity S/cm 235Dissolved Organic Carbon (DOC) * mg/L 1.5Magnesium * mg/L 6.44* Data measured in laboratory


23/134


! Capacidad del agua para neutralizar cidos(amortiguacin)

! En la mayora de las aguas naturales, estdeterminada por la abundancia de cuatro iones:

Carbonato (CO32-)Bicarbonato (HCO3-)Hidroxilo (OH-)Protones (H+)

eq/L]CO[2]HCO[]H[]OH[dAlcalinida 233!!+!

++!

=

23

Acidez: Capacidad del agua para neutralizar bases.

! Ejemplos 6.8 y 6.9 Henry y Heinke, Ingeniera Ambiental


24/134


Sistema Unidadestpicas

Observacin

Masa/masa(peso/peso) mg/kg , ppm No depende de latemperatura

Masa/volumen(peso/volumen)

mg/L Depende de latemperatura

(informar latemperatura)

Sistemas frecuentemente utilizados


25/134


Masa/masa (peso/peso)! Porcentaje en peso! Partes por milln! Molalidad! Fraccin mol

Masa/volumen (peso/volumen)! mg/L! Molaridad! Normalidad! meq/L

Tarea: Hacer ejemplos: 6.2, 6.3, 6.4 y 6.5 deltexto gua (Henry y Heinke, Ingeniera Ambiental)


26/134

Definiciones

! Soluto: Sustancia que se disuelve.

! Disolvente: Sustancia o medio en el cual sedisuelve el soluto.

! Solubilidad: Cantidad mxima de soluto quepuede mantenerse disuelto en una disolucin.Depende de la temperatura, presin, ypresencia de otras sustancias disueltas.

26


27/134


Fuente: Water Chemistry. Snoeyink & Jenkins


28/134

!Una forma de la constante de equilibrio enreacciones de precipitacin.Ejemplo:

El producto de solubilidad se define como:

Kps: constante del producto de solubilidad[ ]: concentracin de la sustancia en mol/L

carbonatocalciocalciode

2

3

2

3

(slido)

carbonato

COCaCaCO !+

+"

][][2

3

2 !+= COCaKps

28


29/134

29

Fuente: Water Chemistry. Snoeyink & Jenkins


30/134

Compuesto Kps

Compuesto Kps

30


31/134

! Equilibrio qumico

A, B, C, D : Especies qumicas

a, b, c, d : Coeficientes estequiomtricosEl equilibrio qumico est descrito por la constantede equilibrio K.

dDcCbBaA +!"+

dDcCbBaA +!+ [ ] [ ][ ] [ ]

BA

DCK

ba

dc

=

31


32/134

! cido. Sustancia que tiene tendencia a cederun protn (H+).

! Base. Sustancia que muestra tendencia aaceptar un protn.

! Ejemplos:

conjugadabaseconjugadocidocidobase

-

423

conjugadabaseconjugadocidobasecido

-

32

OHNHOHNH

ClOHOHHCl

+!"+

+!"+

+

+

32


33/134


cidos/bases conjugadas y constantes de disociacin

33


34/134

!Sistema cido/base conjugada ms importanteen el agua.

!Controla el pHde la mayora de las aguasnaturales.

!Especies qumicas del sistema:Dixido de carbono gaseoso CO2(g)Dixido de carbono disuelto CO2(aq)cido carbnico H2CO3Ion bicarbonato HCO

3

-

Ion carbonato CO32-

Slidos a base de carbonato

34


35/134

! Concentracin de CO2(aq)es funcin de la presinparcial de CO2en la atmsfera.

! Ley de Henry:

[CO2 (aq)]: concentracin de CO2disuelto en el aguaKH: constante de Henry en mol/L-atm

PCO2: presin parcial de CO2en la atmsfera, atm

2COH(aq)2PK][CO =

35


36/134

! cido carbnico:

! cido carbnico efectivo H2CO3*

322)2(a COHOHCO !"+q

]CO[

]COH[K

2(aq)

32m =

32)2(a32 COHCO*COH += q

36


37/134

! Primera disociacin (bicarbonato):

! Segunda disociacin (carbonato):

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have beencorrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and theninsert it again.

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted.Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again.

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image mayhave been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may haveto delete the image and then insert it again.


37


38/134

! Slidos que contienen carbonato puede representarse porel carbonato de calcio:

KSPa 25C es de 10-8,34mol2/L2

!+

+"# 2

3

2

3 COCaCaCO

SP

2

3

2

K]][CO[Ca =!+

38


39/134


CO2(g)

CO2(aq)+H2O H2CO3CO2(aq)+H2CO3= H2CO3*

HCO3-+ H+

CO32-+ H+

CaCO3

Ca2++CO32-

Funcindel pH

39


40/134

Condiciones:

! Sistema abierto sin fuente slida de carbonato(equilibrio gaslquido controla).

! Sistema abierto con fuente slida de carbonato.! Sistema cerrado (sin interfaz gaslquido) sin

fuente slida de carbonatos.

! Sistema cerrado con fuente slida decarbonatos.

40


41/134

Determine el balance cido/base resultante alagregar 10-3M de bicarbonato de sodio(NaHCO3) a agua destilada (sistema cerrado)

41


42/134


Solucin:Paso 1. Especies

-2

3

3

*32

3

2

CO

HCO

COH

Na

NaHCO

OH,HO,H

!

+

!+


43/134

3

3

2

33

*

32CO 10][NaHCO][CO][HCO]CO[HC 3!!!

=+++=

[H+

]+[H2CO

3]= [OH

!

]+[CO3

2!]

Paso 2. Balances de masa

3

3Na 10]NaHCO[]Na[C !+

=+=

Paso 3. Balance de cargas

43


44/134

Paso 4. Ecuaciones de equilibrio

44

[H+

][OH!

]=10!14

[H+

][HCO3

!

]

[H2CO

3

*]

=Ka,1=10

!6,3

[H+

][CO3

2!]

[HCO3

!

]=K

a,2 =10

!10,3


45/134

]NaHCO[]Na[M10C 33

Na,T >>==! +"

Paso 5. Supuestos

El NaHCO3es una sal y se disocia completamente

]COH[]HCO[

]CO[]HCO[

*

323

2

33

>>

>>

!

!!

Adems, dado que HCO3- es un cido dbily una base dbil:

45


46/134

[H2CO3*]+[HCO3

!

]+[CO3!2

]+[NaHCO3]=10!3

(1)

[Na+

]+[NaHCO3]=10!3

(2)

[H

+

]+

[H2CO3]=

[OH

!

]+

[CO32!

] (3)[H

+

][OH!

]=10!14

(4)

[H+

][HCO3!

]

[H2CO

3

*]

=10!6.3

(5)

[H+

][CO3!2

]

[HCO3!

]=10

!10.3 (6)

Paso 6. Solucin

Ecuaciones :

46


47/134

(9)]NaHCO[]Na[

(8)]COH[]HCO[(7)]CO[]HCO[

3

*

323

2

33

>>

>>

>>

+

!

!!

Supuestos:

47


48/134

Desarrollo:

48

[ ][ ] [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ]

[ ] [ ][ ] [ ]

[ ] 93.3

13.314

13.3143.3

13.3310.32

3

3.36.33*

32

3

3

3

3

105.49101

1010H

H

10

H

10H10H(3)en(10)

(12)H

1010H

1COy(6)(10)

(11)H10H10COHy(5)(10)

(10)3pHCO10HCOy(9)(8)(7),(1),10Nay(9)(2)

!

!!

+

+

!

+

!

++

+

!

!!

+

!

+++!

!!!

!+

"=

+

+

=

+=+#

="=#

==#

=#=#

=#


49/134

3.6COpHpHCOpH)5( *323 =!+" !

3.10pHCOpCOpH)6( 32

3 =!+" !!

3.6COpH326.8 *32 =!+

96.4COpH *32 =!

3.103pCO26.8 2

3 =!

+

!

04.5pCO 23 =! "

74.5pOHy26.8pH ==!

49


50/134


OKCO1010HCO2

3

04.53

3

!!!!

=>>=

Paso 7. Verificar supuestos

OKCOH1010HCO*

32

96.43

3 =>>=

!!!

50

Representacin grfica


51/134

Representacin grfica

! Diagramas pC-pH

! Nos permite visualizar, en las escalas pertinentes,los sistemas cido-base.

! pC = -Log (C), donde C es la concentracin.

! Rpidamente es posible identificar los pKa y lasespecies esperadas dentro del sistemadependiendo del pH.

51


52/134


0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14

pC

pH

Diagrama pC-pH sistema carbonato

pH2CO3 pHCO3- pCO32-

pCt pH pOH

52[H

+

]+

[H2CO3]=

[OH

!

]+

[CO32!

]


53/134


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

pH

pC

pOH pH2CO3

pHCO3- pCO3=

pCt,co3 pH

pOH

53

Reacciones qumicas en el agua


54/134

Vistas hasta el momento

" Reacciones de disolucin/precipitacin" Reacciones cido-baseRevisadas en otros cursos (e.g. calidad del agua)

!Reacciones de complexacin

! Reacciones de xido-reduccin

Reacciones qumicas en el agua

54


55/134

Ley de los gases ideales

P: presinV: volumenn: moles de gasT: Temperatura en KelvinR: constante universal de los gases (8,31 Nm/Kmol;8,31 J/Kmol; 0,082056 Latm/Kmol)

The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open theimage, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the fileagain. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again.

55


56/134

Calcule el volumen de un tanque de gas necesario paraguardar por lo menos por 7 das el CH4gaseoso producido enun proceso de digestin. La produccin diaria de gas es de 500kg, su temperatura es de 25C y la presin en el tanque es de200 kPa.

T = 25CP = 200 kPa

V = ?

500 kg/d

56


57/134

Transferencias gas-lquido


58/134

Baja presin en el equilibrio.Baja concentracin.

Doble presin en el equilibrio.Doble de concentracin.

The image cannot be displayed. Your computer maynot have enough memory to open the image, or theimage may have been corrupted. Restart yourcomputer, and then open the file again. If the red xstill appears, you may have to delete the image andthen insert it again.

Transferencias gas lquido

58

PO2 (nivel del mar) = 0 21 atm


59/134

!"#

!"%

!"#$%&()*+

,-./$0

12

,#345/

.261

,#!47#/

89

,:345/

!"% &'(# #() "(* + *#,*

!"# &"(% !(*+ +(& &(,' !"+

!"*

PO2(nivel del mar) = 0.21 atm

PO2(4000 m) = 0.13 atm


60/134


0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

[O2(aq)](mg/L)

Temperatura (C)

Clculo solubilidad del oxgeno en el agua

[O2(aq)] = KH pO2

1 11.2494E-03exp 1802.47

298.15H

KT

! "# $= %& '( )

* +, -

Transferencias gas-lquido


61/134


! Ejemplo 6.10. Presin en tubera.! Ejemplo 6.12. Presin parcial de distintos gases.! Ejemplo 6.13. Clculo del oxgeno disuelto en el

agua de un ro en distintas condiciones.

a s e e c as gas qu do

61


62/134

Conceptos

! Tiempo de Retencin HidrulicoTiempo promedio en que pasa el fluido afluente en elsistema (reactor).

Donde:

V: volumen del reactor [L3]

Q: gasto [L3/T]

Dimensin de #?

62


63/134

Es el tiempo medio en que los microorganismos obacterias activas permanecen en el sistema.

Si es reactor sin recirculacin y en estado estacionario:

! Tiempo de Retencin celular o de slidos

63

Tipos de Reactores


64/134

Segn el intercambio de masa desde y hacia el

volumen de control, los reactores de clasifican en:

! Reactores discontinuos (Batch)

! Reactores de flujo mezcla completa

! Reactores de flujo pistn

p

64

! Reactor Batch


65/134

No existe flujo de entrada ni de salida, es simplemente unareactor con un agitador que homogeniza la mezcla.

El tiempo de retencin hidrulico es igual para todos loscomponentes y corresponde al tiempo que ha transcurridodesde que los reactivos se han aadido al reactor.

! Reactor Batch


65

SBR: Sequential Batch Reactor

! Reactor de mezcla completa


66/134

Reactor con un flujo en el cual las partculas del afluente semezclan completamente en el sistema y pierden su

identidad (flujo desordenado).Cada punto en el interior del sistema tiene caractersticas(temperatura, concentracin, etc.) uniformes e iguales a lascaractersticas del efluente.

Cada partcula individual es retenida en el sistema por untiempo que va de 0 a infinito. En promedio, las partculas sonretenidas un perodo igual al tiempo de retencin terico(#).

! Reactor de mezcla completa

66Lodos activados

! Reactor flujo pistn


67/134

Reactor con un flujo en el cual las partculas individuales delafluente pasan a travs del sistema en la misma secuencia enque entraron.

No existe interaccin entre las partculas (flujo ordenado).

Cada partcula es retenida en el sistema por un perodo igual altiempo de retencin terico:

#= V/Q

V = Volumen del sistema, [m3].

Q = Gasto circulante, [m3/s].

! Reactor flujo pistn

67


68/134

Sistemas:! Nubes! Terreno! Lago! Sistema entero

68

Ciclo hidrolgico

Henry y Heinke. Ingeniera Ambiental


69/134

Balance de masa sobre el ciclo hidrolgico

69

Balance de masa (BM)


70/134

( )

! La conservacin de la masa es uno de losprincipios ms importantes de la ingenieraambiental.

!Idea bsica: la materia no se crea ni sedestruye por fenmenos de transformacin otransporte.

! Principio de conservacin de masa se llamabalance de masa en la ingeniera.

70

Propiedades conservativas y no conservativas


71/134

Propiedades conservativas y no conservativas

! Los balances de masa se aplican a propiedadesconservativas o no conservativas.

! Ejemplo de materia conservativa: elementosqumicos

! Ejemplo de materia no conservativa: compuestoqumico

71



72/134

En palabras simples:

Acumulacin = Entra Sale + Lo que se genera (neto)

72



73/134

Tasa de acumulacindemasa dentro de loslmites del sistema

=

Tasa de flujo de masaque entraa los lmitesdel sistema

-

Tasa de flujo de masaque salede los lmitesdel sistema

+

Tasa de generacin(transformacin)de masa dentro delos lmites delsistema

73



74/134

reaccinsaleentra dt

dm

dt

dm

dt

dm

dt

dm!"

#$%

&+'=

!"#$#%&"'() +%#,- ./ $&0& 1#/ /)23& 4 0&%/ 563$')- ./ 3/&""'()

dtdCV

dtd(VC)

dtdm ==!"#$%&'

74


75/134

1. Haga un esquema odiagrama de flujo delproceso

2. Calcule sin hacer balancestodos los pesos, gastos,concentraciones, etc., quesea posible determinar enbase a la informacin quese suministra

3. Muestre todos los datosconocidos (gastos,concentraciones, etc.) en eldiagrama

4. Asigne smbolos apropiadosa las cantidadesdesconocidas, e indique lasincgnitas con signos deinterrogacin

5. Seleccione una base convenientepara llevar a cabo todos losclculos

Ej.: Intervalo apropiado (da osegundo); una cantidad fija dematerial (100 kg o 1 lb)

6. Seleccione los lmites del sistemapara el balance o balances demasa

Elija los lmites de tal manera quelos clculos sea lo ms sencillosposible

7. Escriba los balances de masaEstos pueden incluir un balance totalo uno para cada uno de losmateriales componentes queintervienen en el problemaTantas ecuaciones independientescomo incgnitas

8. Haga las suposiciones necesariaspara simplificar el problema

Se requiere experiencia para haceresto de manera razonable

75


76/134


Qi= 10 L/s

Ci= 200 mg/L

Qe= 10 L/s

Ce= ?

Eficiencia de separacin

de slidos suspendidosen el estanque = 60%Cantidad de lodos = ?

Zona desedimentacin

Zona de lodos

a) Cul es la concentracin en el efluente Ce?b) Cuntos kg de SS llegan diariamente?c) Cuntos kg de SS salen diariamente por el efluente?d) Cuntos kg de SS se remueven por da?

76


77/134


Si la autoridad ambiental ha fijado un lmite mximo de 100mg/L de P en el ro, Podr descargar la industria sus residuos sintratamiento?

Contaminante orgnico

no reactivo, P

77



78/134

Casos! Sin acumulacin.Entrada = salida! Con acumulacin.Acumulacin = entrada salida! Se produce o consume material dentro del

sistema.Acumulacin = entrada salida + produccin - consumo

Estados! Estacionario. No existe acumulacin! No estacionario. Velocidad de acumulacin cambia

con el tiempo

78



79/134

! Ejemplo 6.16.! Ejemplo 6.17.! Ejemplo 6.18.

79

Afirmaciones sobre el BM


80/134

BM1: La cantidad de una propiedad conservativa en unrecipiente cerrado no cambia.

BM2: La tasa de cambio de la cantidad de una propiedad noconservativa dentro de un recipiente cerrado es igual a latasa neta de produccin de esa propiedad dentro delrecipiente.

BM3: La tasa de cambio de la cantidad de una propiedadconservativa en un recipiente abierto es igual a ladiferencia entre la tasa de flujo de esa propiedad hacia elrecipiente y a tasa de flujo fuera del recipiente.

BM4: La tasa de cambio de la cantidad de una propiedad no

conservativa en un recipiente abierto es igual a la tasa deflujo que entra menos la tasa de flujo que sale ms latasa de produccin dentro del recipiente.

80

Ejemplos de estado estacionario y transiente


81/134

1) Llenado de un estanque con agua

Estado Transiente

Estado Estacionario

0!dt

dm0

)(!"=

"=

dt

dV

dt

Vd

dt

dm

0=dt

dm0=!

dt

dV

Cuando el flujo de entrada es diferente alde salida, el volumen no es constante:Ocurre acumulacin o disminucin.

81

Ejemplos de estado estacionario y transiente


82/134

Q

Ci

V, C

Al empezar el proceso: Ci> C

0!

dt

dm0!

dt

dCV

Despus de que el sistema ha

funcionado por un tiempo: Ci= C

0=dt

dm0=

dt

dCV

Para mantener el volumen delreactor constante:

Q = Qentrada= Qsalida

2) Adicin de sal a un reactor (una sustancia conservativa).

Q

C

82

Ecuacin de BM en un reactor


83/134

= - +

V = Volumen del fluido (L3)C = Concentracin de las especies en unidades

de masa o moles

Q = Gasto (L3/T)

rc = Tasa de transformacin neta

83

Tasa de transformacin


84/134

Representa el transporte y los procesos de transformacinque se producen en el volumen de control y que hacen que la

cantidad de la especie cambie.

rV reaccin qumica general

-koV decaimiento de orden cero

-k1CV decaimiento de primer orden

-k2C2V decaimiento de segundo orden

JglA flujo a travs de la interfaz de fluidos

84

BM en reactor batch


85/134

Forma general

Volumen constante

Cambio de fase

Tasa demateriaacumula

Tasa demateriaentrante

Tasa demateriasaliente

Tasa detransformacinneta

85

BM en reactor mezcla completa


86/134

Para volumen constante (flujo constante):

con != V/Q

Tasa demateriaacumula

Tasa demateriaentrante

Tasa demateriasaliente

Tasa detransformacinneta

86

BM en reactor mezcla completa


87/134

Caso especial:

! Substancia conservativa (no hay transformacin): (-rc) = 0.! Inicialmente el estanque contiene agua pura. Esto es, la

condicin inicial es: para t=0, C=0.

! Desde el tiempo t=0, se empieza a alimentar una substanciacon concentracin constante igual a Co.

Solucin:

87

BM en reactor mezcla completa (otros casos)


88/134

! Con reaccin de orden cero en estado estacionario

! Con reaccin de primer orden en estado estacionario

! Sin reaccin en estado transiente

Vdt

dC

QCQC =!

0

00

=!!

kVQCQC

00 =!!

kCVQCQC

88

BM en reactor flujo pistn


89/134

U= Q/A ,velocidad de flujo constante

A= rea de la seccin transversal al flujo

$V = A $x, Volumen de control

89



90/134

Reemplazando $V por A$xy sacar A de la ecuacin.

Recordar que:

Considerando $x #0

En estado estacionario:La concentracin es slofuncin de la posicin!!!

U

L=!

U

x

X =! Cuando x = L; #x= #

rdx

xdCU =

)(

90



91/134

rC

X

=

!

!

"

Reemplazamos,

dx

xdCU

)(

Xd

xdC

!

)(por (regla de la cadena)

As queda,

91



92/134

Ejemplo 5.A.11 (texto Nazaroff y lvarez-Cohen):

Pulso de un contaminante no reactivo

Un pulso de un contaminante no reactivo es inyectado en laentrada de un reactor tipo flujo pistn ideal. Describir laconcentracin como funcin del tiempo en la salida del reactor.

92


93/134

Conceptos

! Estequiometra: Aplicacin del balance de masa aprocesos de transformacin

! Equilibrio qumico: Describe la distribucin deespecies qumicas en estado estacionario.

! Cintica: Describe las tasas de las reacciones yentrega informacin de cmo varan las concentraciones

de las especies.

93


94/134

Cintica es importante cuando los sistemas no estn en

equilibrio: el tiempo asociado a procesos de transporte y/otransformacin es comparable a la escala de tiempo de inters.

Experimento:

A+B!C

94


95/134

! Tasa de la reaccin: nmero de veces queocurre por unidad de tiempo.

! Unidades de concentracin por tiempo (ML-1T-1).Cada vez que ocurre la reaccin, consume una

molcula de A y una molcula de B, produciendo unade C.

Entonces, los cambios en las concentraciones de A,

B, y C estn directamente relacionados con la tasade la reaccin:

111

1

][][][!"

#$%

&=!

"

#$%

&'=!

"

#$%

&'=

dt

Cd

dt

Bd

dt

AdR

A+B!C

95


96/134

En general:

La tasa se puede expresar tambin como:

! k%es la constante de la tasa de la reaccin y &y 'constantes empricas (en general).

! Se llama orden de la reaccin a &+ '.! La mayora de las reacciones qumicas se ajustan a este

modelo! En general las reacciones para procesos biolgicos son ms

complejas y se determinan de forma emprica.

dDcCbBaA +!"!

+

#

!"

## ][][ BAkR =

96


97/134

Ejemplo 3.A.4 (texto Nazaroff y lvarez-Cohen):

El Radon-222 es un gas radioactivo naturalmente formado porel decaimiento del Radio-226, elemento presente a nivel detraza en suelos y rocas. El decaimiento radioactivo del radonpuede ser descrito mediante la reaccin:

Radon 222 #polonio-218 + partculas alfa.La constante de la tasa de reaccin del decaimiento del Radnes k=2,1x10-6s-1, independientemente de la temperatura.

En t=0, un reactor tipo batch se llena con aire que contieneRadn con concentracin C0.

Cmo cambia la concentracin de Radn en el tiempo?

97


98/134

Determinacin emprica del orden de reaccin y constante

! En casos tpicos, se contar con datos de la concentracinen funcin del tiempo. Estos datos se pueden obtenerexperimentalmente.

! Graficando la concentracin vs. tiempo el orden de lareaccin y la constante pueden determinarse.

98


99/134

! Casos hipotticos

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 20 40 60 80 100

tiempo (min)

C(mM)

Orden cero

k = 0,097 mM/min

Co = 10 mM

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 20 40 60 80 100

tiempo (min)

C(mM)

Primer orden

k = 0,03 1/min

Co = 10 mM

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 20 40 60 80 100

tiempo (min)

C(mM)

Segundo orden

k = 0,0095 1/min

Co = 10 mM? ? ?

tkCtCCC 000 )()0( !="=tk

eCtCCC 100 )()0( !

="=

02

00

21

)()0(

tCk

CtCCC

+

=!=

99


100/134

Tipos de tasas de reaccin (empricas)

! Orden cero:

! Primer orden:

! Segundo orden:

Solucin Analtica

0k

dt

dCr !==

Ckdt

dCr

1!==

2

22 Ck

dt

dCr !==

tkCtCCC 000 )()0( !="=

tkeCtCCC 100 )()0(

!

="=

02

00

21)()0(

tCk

CtCCC

+

=!=

10

0


101/134

! Tiempo caractersticoCada transformacin tiene asociada un tiempo caracterstico.Se puede estimar como la concentracin inicial dividido por latasa inicial de la reaccin.

! Orden cero:

! Primer orden:

! Segundo orden

10

1

0

0

0~

k

C!

101

0

1

1~

kCk

C=!

02

2

02

0

2

2

1

2~

CkCk

C=!


102/134

Cundo importa esto?

Cuando se compara con el tiempo de la escala de inters (()

Cinticarpida

tr> t

Transformaciones qumicas (y suscinticas) son lo suficientemente lentascomo para ignorarlas.

Cinticaintermedia

tr~ t

No se pueden hacer simplificaciones, sedebe considerar en detalle los efectosde las cinticas en el sistema.

10

2


103/134

Considere un reactor de mezcla completa que contiene agua.Inicialmente (t=0), el reactor est slo parcialmente lleno deagua y para los perodos posteriores (0


104/134

Tamao de los microorganismos

!No pueden servistos a simplevista, se necesitaun microscopio.

!No hay unadefinicin precisade tamao, pero esaproximadamentedesde 0.1 mm

(100 "m).

10

4


Nuestro tpico ejemplo


105/134

105

Habrnmicroorganismos?


106/134

10

6


107/134

10

7

10 !m


108/134

108


109/134

10

9

Importancia de los microorganismos enIngeniera Ambiental


110/134

Ingeniera Ambiental

!Los microorganismos se presentan como impurezas del agua.

!Algunos de ellos pueden causar enfermedades (Patgenos).

110


Importancia de los microorganismos enIngeniera Ambiental


111/134


Ingeniera Ambiental

!La presencia de microorganismos puede causar efectoadversos en el agua y el aire, afectando su calidad (porejemplo, problemas de olor y sabor de agua potable por elcrecimiento microbiano en los sistemas de distribucin).

Ejemplo: Corrosin inducida pormicroorganismos en caeras de cobre

111

Rol de los microorganismos en el medioambiente


112/134

ambiente

!Los microorganismos catalizan reacciones de oxidacin yreduccin (a travs de las cuales obtienen energa).

!Este tipo de reacciones tiende a ocurrir lentamente encondiciones abiticas.

!Los microorganismos aceleranestas reacciones mediante eluso de protenas llamadasenzimas.

112

Brock. Biology of

microorganisms



113/134

ambiente

!Estos procesos son fundamentales para el ciclo de elementosfundamentales para la vida en el planeta (i.e. C, N, S, Fe).

Biopelcula de bacterias oxidantes de hierroadheridas sobre rocass

113Brock. Biology of microorganisms

The North of Chile is Naturally

C t i t d ith A


114/134

Contaminated with As

!" $%&'()' *+,-./

Source: Smedley, Kinniburgh 2001

Sitios de estudio


115/134

La actividad agrcola en la partebaja de la cuenca se ve afectada

por la mala calidad del agua.

Proyecto Corfo. Ro Lluta


116/134

;:?@&

;


117/134

;:?@&

;


118/134

Terma(621)

Orangesediments

(601)Orange

sediments(605)

River aftersediments

(607)

Clean water(611)

River aftertales

(609 y 613)

Orange sediments fromtales(615)

Water after tales(617)

-./01234 0523678 9:; =2?>= @A.B5=. ?51B.35C

River in tales(606)

DE;F 0.7. >3 >76> 6=.37>B65G

DH.I=J3 I.B6>=2.7 B.6.12:.3K5 1. 23/5?212:.B2L3 K> 97G


119/134

!"#

!"%

!"#$%& ()*+,-./

$0 12,#345/

.261,#!47#/

89,:345/

!"% &'(# #() "(* + *#,*

!"# &"(% !(*+ +(& &(,' !"+

!"*

MicroscopyPreliminary results (601)


120/134

Preliminary results (601)

Photos:Epiflourescence microscopy (A.O) sample 601

Molecular techniquesPreliminary results


121/134

Preliminary results

9:; =2?>=( A.B5=.

M;6=>

-./01234 .3K NO9 >P6=.BQ53

Las muestras que han amplificado gen de arsenito oxidasacoinciden con aquellas con mayor contenido de As.


122/134

q y

-

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

As(g/Kg)



123/134

!Desde el punto de vista ingenierilpodemos usar estas capacidadesen nuestro beneficio(biotecnologa).



124/134


125/134

Diversidad microbiana:Fenotpica (atributos funcionales)


126/134


Diversidad microbiana:Filogentico (basada en la secuencia del gen 16S rRNA)


127/134


Clasificacin de los microorganismos


128/134

!Procariontes (Bacterias y Arqueas)

! Hongos! Algas! Protozoos! Virus

128

Bacterias


129/134

Ingeniera Ambiental

ICH2304 129

Filamentous cyanobacterium,Anabaenasp.(SEM x5,000). This image is copyright Dennis

Kunkel at www.DennisKunkel.com,

Rod-Shaped Bacterium, hemorrhagicE. coli, strain 0157:H7 (division) (SEMx22,810). This image is copyright DennisKunkel at www.DennisKunkel.com

Geobacter metallidreducens.

http://www.geobacter.org

Arqueas


130/134

Ingeniera Ambiental

ICH2304 130

Microbial mats en los gisers del

El Tatio.

Digestores anaerbicos

planta La Farfana

Methanogens, cocci shaped.http://

www.daviddarling.info/encyclopedia/M/methanogen.html Credit: MarylandAstrobiology Consortium, NASA, and STSc

Fungi (Hongos)


131/134

Ingeniera Ambiental

ICH2304

Mohos

Setas

Levaduras131

Brock. Biology of

microorganisms

Algas


132/134

Ingeniera Ambiental

ICH2304

Single-celled,FlagellatedGreen alga,Dunaliella

Micrasterias Scenedesmus

SpirogyraVolvox carteri

132

Brock. Biology of

microorganisms

Protozoos


133/134

Ingeniera Ambiental

ICH2304

A Typical Ciliate,

ParameciumAmoeba

FlagellatedEuglena

Giardia: protozoo flagelado patgeno queparasita el tracto digestivo de humanos yotros mamferos, produciendo giardiasis.

133

Brock. Biology of

microorganisms

Virus


134/134

Componentes:!

Cabeza: un fragmento de cidos nucleicos (ADN,ARN) rodeados por una cubierta de protenas.

! Estructuras para adherirse al husped.

Negative stain electronmicrograph of the gammaphage

Documents

2013-1 ICH2304 2 Capítulo 3a plus.pdf