TRATAMIENTO DE RESIDUOS LÍQUIDOS QUE CONTIENEN METALES PESADOS.

Proceso sol-gel para el tratamiento de residuos que contienen metales pesados,

que comprende las etapas de: - obtener una solución o dispersión que contenga al menos un metal pesado; - formar un sol añadiendo a dicha solución o dispersión polvos de sílice, que tienen un tamaño de partícula por debajo de 100 m, en una cantidad tal que el contenido de sílice en el sol está comprendido entre el 10% y el 90% en peso, controlando que el pH del sol no sea mayor de 4; - añadir a dicho sol al menos un alcoxisilano en una cantidad tal que se obtenga una proporción molar sílice:alcoxisilano mayor de 6; - elevar el pH de dicho sol a un valor por encima de 4; - verter el sol en un molde; - permitir que dicho sol gelifique, obteniendo de esta manera un hidrogel; - secar el hidrogel, obteniendo de esta manera un gel secado; y - sinterizar el gel secado, obteniendo de esta manera un producto de sílice vítreo caracterizado por que dicha solución o dispersión que contiene al menos un metal pesado es un residuo que procede de una actividad de producción de residuos

Campo de la Invención

La presente invención se refiere a procesos para tratamiento de residuos que contienen metales pesados.

Aunque “metales pesados” no es una definición exacta, se usará en la presente descripción y en las reivindicaciones adjuntas para abarcar de forma general todos los metales que comprenden, y que son más pesados 5 que, aquellos de la primera columna de transición; aparte de esta definición, como se usa en este documento, se pretende abarcar que dichos metales estén en forma elemental, o en forma de iones, sales o complejos.

Se sabe que muchos metales, en particular metales pesados, son peligrosos para el medioambiente. Además, cuando están presentes libremente en el ambiente, estos metales pueden incorporarse a través de las plantas y, de esta manera, entrar en la cadena alimentaria de los animales o seres humanos, provocando así problemas graves para su 10 salud. Por citar algunos, se sabe que los iones cromo (en particular iones de cromo hexavalente (Cr (VI)) son carcinogénicos; los iones plomo pueden dañar las conexiones nerviosas y provocar trastornos de la sangre y del cerebro; el mercurio se ha reconocido como responsable de temblores, afecta a las habilidades cognitivas y altera el sueño; y los metales más pesados pueden ser radiactivos, conducir a numerosas enfermedades debidas, en general, a modificaciones del código genético o interferencias con los procesos de división celular, provocadas por radiaciones 15 fuertemente ionizantes emitidas por estos metales.

Sin embargo, en muchos procesos industriales, o aplicaciones civiles, el uso de estos metales es necesario. Por ejemplo, el cromo se usa en la producción de aceros inoxidables, en el metalizado con cromo, en el teñido de cuero o para la producción de colorantes y pinturas; el plomo se usa en baterías de plomo-ácido y en la producción de vidriados cerámicos o vidrios de plomo; el mercurio se usa ampliamente en lámparas fluorescentes; y los metales 20 radiactivos son necesarios para el funcionamiento de plantas de energía nuclear, para la producción de energía eléctrica. Los procesos industriales, o aplicaciones civiles, que producen residuos se denominarán en la siguiente descripción y en las reivindicaciones adjuntas como actividades de producción de residuos.

La mayor parte de las actividades citadas producen residuos en forma de cenizas, suspensiones, lodos, soluciones o dispersiones que contienen iones metálicos, que tienen que desecharse de forma segura. El 25 almacenamiento a largo plazo en estanques, áreas abiertas o tanques no es fácil, puesto que requiere amplias áreas o volúmenes, en particular en el caso de soluciones diluidas, tales como aquellas resultantes de las etapas del proceso de lavado. Para una descripción de estos problemas, dada con referencia particular al problema de desechar los residuos de plantas nucleares, puede hacerse referencia al artículo "Nuclear Fuel Recycling: More Trouble Than It's Worth", Frank N. von Hippel, Scientific American, Abril 2008. 30

De esa manera, un objeto de la presente invención es proporcionar un proceso para el tratamiento de residuos que contienen metales pesados, que haga posible fijar dichos metales en artículos sólidos con estabilidad a largo plazo, que no de lugar a la liberación espontánea de dichos metales.

Estos y otros objetos se alcanzan mediante la presente invención con un proceso sol-gel, que comprende las etapas de: 35

- obtener una solución o dispersión que contenga, al menos, un metal pesado;

- formar un sol añadiendo a dicha solución o dispersión polvos de sílice en una cantidad tal que el contenido de sílice en el sol está comprendido entre el 10% y el 90% en peso, controlando que el pH del sol no sea mayor de 4;

- añadir a dicho sol al menos un alcoxisilano en una cantidad tal que se obtenga una proporción molar 40 sílice:alcoxisilano mayor de 6;

- elevar el pH de dicho sol a un valor por encima de 4;

- verter el sol en un molde;

- permitir que dicho sol gelifique, obteniendo de esta manera un hidrogel;

- secar el hidrogel, obteniendo de esta manera un gel secado; y 45

- sinterizar el gel secado, obteniendo de esta manera un producto de sílice vítreo

caracterizado por que dicha solución o dispersión que contiene al menos un metal pesado es un residuo que procede de una actividad de producción de residuos.

La técnica sol-gel se conoce bien y en la técnica anterior se han descrito numerosas variaciones y

realizaciones específicas de procesos sol-gel. Se conocen bien también los procesos sol-gel para producir vidrios de óxido mixto o cerámicos, generalmente basados en una matriz de sílice que contiene iones de otros metales, principalmente para su uso en los campos mecánico, óptico o electro-óptico. Sin embargo, los procesos sol-gel conocidos generalmente se dirigen a la producción de composiciones de vidrio o cerámicos deseadas para usos específicos, que requieren de esta manera características químico-físicas específicas y bien controladas de los 5 productos resultantes (por ejemplo, buena transparencia en regiones bien definidas del espectro para aplicaciones ópticas); esto, a su vez, impone restricciones muy definidas a los parámetros de proceso, con referencia particular a la formulación exacta de las soluciones de partida o soles; las soluciones de metales diferentes del silicio, para su uso en los procesos de la técnica anterior, es necesario prepararlas y usarlas, por lo tanto, de acuerdo con recetas bien diseñadas. 10

Al contrario, no es el objeto de la presente invención obtener un producto de características definidas, aparte de la capacidad de retener metales pesados; de esta manera, las propiedades del producto final en el caso de la presente invención no son importantes, siempre y cuando dicho producto esté en forma de un cuerpo sólido o piezas, capaces de retener metales pesados, y que muestran un lixiviado de metales pesados en su superficie que es tan bajo como sea posible, y preferiblemente nulo. 15

La primera etapa del proceso de la invención consiste en obtener una solución o dispersión que contiene, al menos, un metal pesado. “Obtener”, como se usa en este documento con referencia a la solución o dispersión de metales pesados, puede significar recibir un residuo líquido exactamente tal cual viene de una actividad productora de residuos líquidos (por ejemplo, una solución que contiene trazas de uranio y plutonio como un subproducto de los procesos de producción de energía realizados en plantas de energía nuclear). Como alternativa, “obtener” puede 20 implicar un cierto grado de preparación o pretratamiento del residuo real según resulta de dicha actividad. Este puede ser el caso cuando el residuo líquido esté en forma de cenizas, suspensiones o lodos, que puede ser necesario humedecer o diluir antes de su uso en el proceso de la invención; o, al contrario, en el caso de un residuo líquido demasiado diluido, “obtener” puede implicar una operación de preconcentración antes de su uso en el proceso de la invención, para reducir los volúmenes de líquidos implicados y, de esta manera, las dimensiones de los equipos. 25

En el caso de un residuo líquido, en principio su disolvente puede ser cualquiera. Puede ser agua, un disolvente orgánico tal como alcoholes o cetonas, una mezcla de agua y otros disolventes. Cuando el disolvente no es solo agua, el riesgo asociado con el disolvente específico cuando se somete a las siguientes etapas del proceso debe evaluarse antes de usar el residuo; por ejemplo, los éteres podrían ser peligrosos si se someten a calentamiento en presencia de aire. El conocimiento y las capacidades requeridas por dichas evaluaciones previas son los antecedentes 30 normales de los ingenieros químicos, considerando que los datos de seguridad para prácticamente cualquier disolvente, en un amplio intervalo de condiciones de temperaturas o presiones, o su compatibilidad con otros compuestos químicos, están disponibles en la bibliografía química. El agua es el disolvente más común usado en las actividades que producen residuos líquidos; también es el preferido que se añade a los residuos en forma de cenizas, suspensiones o lodos; como consecuencia, la siguiente descripción se hará con referencia a soluciones o dispersiones basadas en agua,... [Seguir leyendo]

1. Proceso sol-gel para el tratamiento de residuos que contienen metales pesados, que comprende las etapas de:

- obtener una solución o dispersión que contenga al menos un metal pesado;

- formar un sol añadiendo a dicha solución o dispersión polvos de sílice, que tienen un tamaño de partícula por debajo de 100 m, en una cantidad tal que el contenido de sílice en el sol está comprendido entre el 5 10% y el 90% en peso, controlando que el pH del sol no sea mayor de 4;

- añadir a dicho sol al menos un alcoxisilano en una cantidad tal que se obtenga una proporción molar sílice:alcoxisilano mayor de 6;

- elevar el pH de dicho sol a un valor por encima de 4;

- verter el sol en un molde; 10

- permitir que dicho sol gelifique, obteniendo de esta manera un hidrogel;

- secar el hidrogel, obteniendo de esta manera un gel secado; y

- sinterizar el gel secado, obteniendo de esta manera un producto de sílice vítreo caracterizado por que dicha solución o dispersión que contiene al menos un metal pesado es un residuo que procede de una actividad de producción de residuos. 15

2. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha etapa de obtención de una solución o dispersión consiste en recibir un residuo líquido exactamente tal cual viene de una actividad de producción de residuos líquidos dada.

3. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que, cuando el residuo líquido está en forma de cenizas, suspensiones o lodos, dicha etapa de obtención de una solución o dispersión consiste en humedecer o diluir 20 dicho residuo.

4. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el residuo líquido es un residuo líquido diluido, consistiendo dicha etapa de obtención de una solución o dispersión en pre-concentrar dicho residuo.

5. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichos polvos de sílice tienen un tamaño de partícula por debajo de 10 m. 25

6. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicho polvos tienen un tamaño de partícula por debajo de 5 m.

7. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha sílice es sílice pirógena.

8. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho contenido de sílice en el sol está comprendido entre el 30% y el 65% en peso. 30

9. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 8 en el que dicho contenido de sílice en el sol está comprendido entre el 50% y el 60% en peso.

10. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que durante la adición de sílice el pH es entre 1,5 y 3.

11. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha proporción molar sílice:alcoxisilano es menor de 30. 35

12. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho alcoxisilano es un tetraalcoxisilano en el que cada grupo alcoxi tiene de 1 a 6, preferiblemente de 1 a 4 átomos de carbono.

13. Procesos sol-gel de acuerdo con la reivindicación 12, en el que dicho tetraalcoxisilano se elige entre tetraetoxisilano, tetrametoxisilano y metoxitrietoxisilano.

14. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el alcoxisilano se añade en una cantidad tal que 40 la proporción molar de agua a alcoxisilano es entre 40 y 200.

15. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 14, en que dicha proporción molar de agua a alcoxisilano es entre 50 y 160.

16. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 15, en el que dicha proporción es entre 60 y 120.

17. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha etapa de elevación de pH eleva el pH en el 45

intervalo entre 4,7 y 5,2.

18. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha elevación del pH se consigue añadiendo un compuesto básico, orgánico o inorgánico, soluble en agua.

19. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 18, en el que dicho compuesto básico es hidróxido de amonio o una amina, en particular ciclohexilamina. 5

20. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 18, en el que dicho compuesto básico es un aminoalquil-alcoxisilano.

21. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 20, en el que dicho aminoalquil-alcoxisilano se elige entre 3-aminopropil-trimetoxisilano, 3-aminopropil-trietoxisilano, 2-amioetil-3-aminopropil-dimetoxisilano, 2-aminoetil-3-aminopropil-dietoxisilano, [3-(2-aminoetil)aminopropil]-trimetoxisilano, [3-(2-aminoetil)aminopropil]-trietoxisilano, o sus 10 mezclas.

22. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho hidrogel, antes del secado, se somete a una etapa adicional de extracción de metales pesados desde su parte más extrema, lavándolo durante un tiempo limitado con un disolvente elegido entre agua, solución acuosa de un ácido inorgánico o una solución complejante del metal.

23. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 22, en el que el disolvente que contiene el metal extraído del 15 hidrogel se recicla añadiéndolo a la solución o dispersión de partida en una nueva ejecución del proceso.

24. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha etapa de secado se realiza un horno de ciclo térmico y húmedo, variando la temperatura durante el proceso entre 15ºC y 120ºC y variando el grado de humedad entre el 30% y el 100%.

25. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los polvos posiblemente formados durante el 20 secado del hidrogel en el horno se reciclan añadiéndolos a la solución o dispersión de partida en una nueva ejecución del proceso.

26. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha etapa de sinterización se realiza calentando el gel secado entre 1200 y 1400ºC.

27. Proceso sol-gel de acuerdo con la reivindicación 1, en que dicha etapa de sinterización va precedida de una 25 etapa adicional de calcinación del gel secado.

28. Proceso sol-gel para el tratamiento de residuos que contienen metales pesados, que comprende las etapas de:

- obtener una solución o dispersión que contiene, al menos, un metal pesado concentrando tanto como sea posible la solución de partida;

- formar un sol añadiendo a dicha solución o dispersión polvos de sílice que tienen un tamaño de partícula 30 por debajo de 100 m en una cantidad tal que el contenido de sílice del sol esté comprendido entre el 10% y el 90% en peso, controlando que el pH del sol no sea mayor de 4;

- añadir a dicho sol al menos un alcoxisilano en una cantidad tal como para obtener una proporción molar sílice:alcoxisilano mayor de 6;

- elevar el pH del sol a un valor por encima de 4; 35

- verter el sol en un molde;

- permitir que dicho sol gelifique, obteniendo de esta manera un hidrogel;

- secar el hidrogel, obteniendo de esta manera un gel secado; y

- sinterizar el gel secado mientras se mantiene en la cámara de tratamiento una presión parcial de oxígeno controlada, de manera que se transforme el metal pesado en un óxido que tiene puntos de fusión o 40 sublimación mayores que el punto de fusión de la sílice.

29. Cuerpo vítreo obtenido de acuerdo con el proceso de la reivindicación 1.

30. Cuerpo vítreo obtenido de acuerdo con el proceso de la reivindicación 28.

31. Uso del cuerpo vítreo de la reivindicación 29 o 30 como una fuente de al menos un metal pesado.