Poliacrilamida: producto químico de precipitación y puenteo

Mecanismos: cómo la poliacrilamida precipita y une partículas coloidales orgánicas

La poliacrilamida (PAM) provoca la eliminación de coloides orgánicos principalmente mediante dos mecanismos físico-químicos complementarios: neutralización de carga (precipitación) y floculación puente. En la neutralización de carga, la PAM catiónica (o PAM parcialmente hidrolizada en presencia de cationes multivalentes) reduce la repulsión electrostática que mantiene dispersas las pequeñas partículas orgánicas, permitiéndoles agregarse y sedimentarse. Al formar puentes, la PAM de alto peso molecular se adsorbe en múltiples partículas simultáneamente: largas cadenas de polímeros individuales se unen a superficies en sitios separados y unen físicamente las partículas en flóculos más grandes que se sedimentan rápidamente o pueden deshidratarse.

Propiedades del polímero que determinan la acción precipitante frente a la acción puente.

Peso molecular (longitud de cadena)

La PAM de alto peso molecular (típicamente >5 a 10 MDa) favorece la formación de puentes porque las bobinas largas pueden abarcar grandes distancias entre partículas y entrelazar múltiples partículas. El PAM de bajo peso molecular tiene una capacidad de formación de puentes limitada y se comporta más como un floculante de corto alcance que puede ayudar a neutralizar las cargas pero forma flóculos más pequeños.

Densidad y tipo de carga (catiónica, aniónica, no iónica)

El signo y la densidad de los grupos iónicos en PAM controlan el mecanismo de precipitación (neutralización de carga):

• PAM catiónica: muy eficaz para precipitar coloides orgánicos cargados negativamente (por ejemplo, sustancias húmicas, partículas de lodos aniónicos) mediante atracción y neutralización electrostática.
• PAM aniónico: útil cuando los coloides están cargados positivamente o cuando se desea formar puentes sin una neutralización rápida de la carga; A menudo se utiliza con coagulantes catiónicos en tratamientos de dos pasos.
• PAM no iónico: actúa principalmente formando puentes y se ve favorecido cuando las interacciones iónicas son débiles o variables.

Variables clave del proceso que influyen en la efectividad

pH y fuerza iónica

El pH altera la carga superficial de los coloides orgánicos y la carga aparente de los polímeros parcialmente hidrolizados; La fuerza iónica comprime la doble capa eléctrica y puede promover la precipitación al disminuir la repulsión. Las ventanas de pH típicas para el tratamiento de agua son de 6 a 9, pero se debe probar el pH óptimo porque el pH puede cambiar la conformación del polímero y el comportamiento de adsorción.

Mezclando energía y secuencia

La mezcla inicial rápida (alto cizallamiento) generalmente se usa para dispersar coagulantes y crear una frecuencia de colisión para la neutralización de carga; A continuación se realiza una mezcla suave para permitir que las cadenas de polímeros se absorban y formen puentes sin cortar las cadenas largas. Un corte excesivo romperá los flóculos formados por puentes y reducirá el rendimiento de sedimentación y deshidratación.

Aplicación práctica: estrategia de dosificación y metodología de prueba de jarras.

La optimización del uso de PAM requiere pruebas de frascos a pequeña escala que imiten los tiempos de mezcla y residencia en el campo. Los pasos típicos son: realizar una mezcla rápida para simular la dispersión del coagulante, agregar un polímero en dosis bajas y observar; aumentar progresivamente la dosis hasta que la turbidez, el volumen de lodo o la tasa de sedimentación alcancen un óptimo práctico; evaluar la fuerza del flóculo aplicando pulsos cortos de alto cizallamiento y observando el nuevo crecimiento. Incluya siempre un blanco (sin polímero) y pruebas para diferentes pesos moleculares o densidades de carga.

Monitoreo y controles analíticos para confirmar la precipitación y la formación de puentes.

Utilice medidas complementarias para evaluar si predomina la precipitación (neutralización de carga) o la formación de puentes y cuantificar el rendimiento:

• Eliminación de turbidez y sólidos suspendidos (SST): indicadores rápidos de campo de la formación de agregados.
• Potencial Zeta: un zeta cercano a cero indica una neutralización efectiva de la carga; si zeta permanece negativo pero se forman grandes flóculos, es probable que predomine la formación de puentes.
• Distribución del tamaño de las partículas: el crecimiento a diámetros hidrodinámicos más grandes indica un puente exitoso.
• Velocidad de sedimentación y tiempo de succión capilar (CST) para lodos: evalúe las ganancias de deshidratación de los flóculos puente.

Consideraciones de diseño y consejos operativos

Comience bajo y titule

Comience con dosis conservadoras y aumente en pruebas de frascos. La sobredosis puede reestabilizar los coloides (especialmente con algunos cambios en el equilibrio aniónico/catiónico) o crear flóculos viscosos y sensibles al corte que son difíciles de deshidratar.

Secuencia con coagulantes

Cuando los compuestos orgánicos están fuertemente cargados o presentes en altas concentraciones, utilice un coagulante metálico (p. ej., alumbre, cloruro férrico) o un polielectrolito catiónico para reducir primero la carga; Siga con PAM de alto MW para puentes y crecimiento de flóculos. En muchos lodos industriales, el floculante coagulante combinado produce los mejores resultados de captura y deshidratación de sólidos.

Gestión de corte y selección de bombas.

Seleccione bombas y tuberías para minimizar el corte después de la adición del polímero. Si el polímero debe pasar a través de zonas de alto cizallamiento, considere reacondicionarlo aguas abajo (mezclarlo en una zona inactiva) para que los flóculos puedan volver a formarse.

Cuestiones medioambientales, de seguridad y de calidad de los polímeros.

Tenga cuidado con el monómero residual (acrilamida) en los productos PAM de calidad técnica; Elija productos certificados para niveles bajos de monómero residual cuando se utilicen en descargas potables o ambientalmente sensibles. Considere también la biodegradabilidad y el destino de los flóculos grandes: la aplicación al suelo o el vertido de sólidos deshidratados puede requerir pruebas de residuos de polímeros, AOX o contaminantes relacionados, según la jurisdicción.

Solución de problemas comunes

• Deficiente sedimentación pero baja mejora de la turbidez: verificar el peso molecular del polímero (puede ser demasiado bajo) y el historial de corte; pruebe con PAM catiónico o no iónico de PM más alto y reduzca el cizallamiento.
• Flóculos viscosos y débiles después de una dosis alta: la sobredosis puede causar estabilización estérica; reduzca la dosis y vuelva a realizar las pruebas del frasco.
• Rendimiento inconsistente con la variabilidad del afluente: implementar monitoreo en línea de turbiedad/potencial zeta y ajuste de dosis automatizado (control de retroalimentación).

Conclusiones: emparejar el mecanismo con el objetivo

Para eliminar eficazmente las partículas coloidales orgánicas, identifique si su prioridad es la precipitación rápida (neutralización de carga) o la formación de flóculos resistentes al agua (puentes). Elija la carga del polímero y el peso molecular para lograr ese objetivo, optimice las condiciones iónicas/pH y la mezcla, y valídelo con pruebas de frasco y monitoreo zeta/tamaño. Si se aplica correctamente, la poliacrilamida sigue siendo una de las herramientas más flexibles y económicas para convertir coloides orgánicos estables en sólidos sedimentables o filtrables.