Métodos de obtención de materiales absorbentes para depuración de aguas, materiales absorbentes obtenidos v aplicaciones de los mismos.

Métodos de obtención de materiales absorbentes para depuración de aguas,

materiales absorbentes obtenidos y aplicaciones de los mismos. La invención se refiere a métodos de obtención de materiales absorbentes a partir de minerales de arcilla, preferentemente esmectitas, más preferentemente esmectitas dioctaédricas y/o trioctraédricas, más preferentemente aún montmorillonita y/o saponita; y comprendiendo etapas de (1) dispersión y deslaminación del material de partida; (2) impregnación de las monocapas del material de partida con una solución reactiva que comprende óxidos metálicos añadida en una cantidad igual a los equivalentes correspondientes a la capacidad de cambio catiónico calculada para dicho material de partida; (3) decantación y lavado; (4) secado y calcinación; y (5) molienda. La invención también incluye los materiales absorbentes obtenidos, los materiales intermedios de dichos métodos, y las aplicaciones de los materiales de partida, intermedios, o finales, en depuración o tratamiento de aguas.

Métodos de obtención de materiales absorbentes para depuración de aguas, materiales

absorbentes obtenidos y aplicaciones de los mismos

SECTOR TÉCNICO

5

La presente invención se refiere a métodos de obtención de materiales absorbentes para

depuración de aguas. Asimismo, la invención refiere los materiales absorbentes obtenidos y

aplicaciones asociadas a dichos materiales.

10 ESTADO DE LA TÉCNICA El agua es un recurso limitado e indispensable tanto para la humanidad como para el medio

ambiente y la vida que se desarrolla en él. Por esta razón resulta necesario realizar una gestión

adecuada de este recurso, asegurando no sólo la disponibilidad sino la calidad de estas aguas.

15 Estas aguas pueden contaminarse a través de diferentes vías que engloban mecanismos

naturales como antropogénicos con una variedad, quizá excesiva, de contaminantes.

Dependiendo de la cantidad de contaminante que tienen las aguas éstas pueden ser depuradas

adecuadamente para consumo humano (aguas de consumo) o bien reutilizadas para otros fines

que no requieran alcanzar las exigentes condiciones que debe poseer un agua para que sea

2 O destinada a consumo humano. Son las leyes las que marcan las concentraciones máximas de

contaminantes que pueden existir en las aguas destinadas a consumo humano y en las aguas

residuales depuradas (DIRECTIVA 98/83/CE) .

Generalmente los esfuerzos en investigación se han dirigido en la búsqueda de

materiales capaces de depurar aguas residuales, quedando en un plano subordinado la

25 depuración de aguas de consumo dado que la utilización de carbón activo se había

considerado un método con una eficacia relativa en la eliminación de contaminantes en estas

aguas (Scholz and Martin, 1997; Nishijima et al., 1997) . No obstante, la utilización de carbón

activo presenta una serie de inconvenientes que deben ser resueltos (Simson, 2008) . Por

ejemplo, su limitación en la adsorción de contaminantes inorgánicos o su falta de eficacia

30 cuando las moléculas tienen un tamaño superior al de los poros donde se sitúan los centros

activos, caso de ácido húmicos, fúlvicos, petróleo, emulsiones de aceites etc. se produce un

bloqueo de los microporos primarios (Pelekani y Snoeyink, 1999; Simson, 2008) cayendo su

eficacia en la adsorción de moléculas más pequeñas. Además, dado que el carbono activo no

es miscible en medios polares la adsorción de metales de las aguas resulta inefectiva.

Por esta razón, se han hecho esfuerzos en la investigación de métodos de depuración

de aguas contaminadas con materiales sintetizados utilizando como material de partida los

5 minerales de la arcilla, generalmente, minerales del grupo de la esmectita. Estos minerales

poseen características cristaloquímicas particulares que hacen que tengan propiedades

absorbentes muy interesantes desde un punto de vista ambiental. La estructura cristalina de

los minerales del grupo de la esmectita se basa en el apilamiento de láminas formadas por tres

capas. Dos de ellas de naturaleza tetraédrica, en las que los tetraedros de Sílicie utilizan tres

10 de sus vértices para polimerizarse en dos direcciones, y una tercera capa situada entre las

tetraédricas, en las que encontramos iones Al, Fe, Mg coordinados octaédricamente por los

oxígenos de los tetraedros anteriormente descritos y por grupos OH. En cada lámina existen

dos capas tetraédricas y una octaédrica. Por esta razón a estas láminas se las denomina

láminas tipo 2: 1. Parte de los Si4 + de las capas tetraédricas ( aproximadamente 1 de cada 8)

15 son sustituidos isomórficamente por AI3+, generando un exceso de carga negativa en las

superficies de las láminas que son compensadas con la existencia de cationes en el espacio

existente entre las láminas (espacio interlaminar) . La existencia de estas sustituciones

isomórficas que generan cargas negativas que han de ser compensadas, junto con la

localización de grupos OH en la superficie y la existencia de otros defectos estructurales

2O proporcionan a los minerales del grupo de las esmectitas centros activos de adsorción que les

van a conferir muy buenas propiedades adsorbentes.

Estas propiedades adsorbentes se han tratado de mejorar por ejemplo haciendo

reaccionar estas esmectitas con cationes de alquilamonio sintetizando las denominadas

organoarcillas. Existe una gran cantidad de bibliografía que describe la síntesis de las

25 organoarcillas y sus aplicaciones (Sayed et al., 2003; Oliveira Pereira., 2005; Carmody et al.,

2007) , sobre todo, en la adsorción de contaminantes orgánicos. Sin embargo, las

organoarcillas presentan serios inconvenientes. Éstos derivan, en primer lugar de la

reversibilidad, no controlada, del proceso de adsorción y la facilidad con la que los cationes

de alquilamonio de las organoarcillas se liberan, transformándose en contaminantes

3O potenciales.

Toda esta problemática, lleva a investigar el desarrollo de compuestos que fueran

capaces, especialmente, de depurar las aguas destinadas a consumo humano, eficientes en la

eliminación de contaminantes inorgánicos que no pueden ser eliminados eficazmente con el carbón activo, que sean eficaces también en la adsorción de contaminantes orgánicos, y que además, a diferencia de las organoarcillas, sean químicamente estables en un amplio rango de condiciones químicas.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Los materiales adsorbentes objeto de la invención comprenden, como materia prima o base, minerales de arcilla, preferentemente minerales de esmectita, más preferentemente minerales de esmectitas dioctaédricas (esmectitas alumínicas) y/o minerales de esmectitas trioctraédricas (esmectitas magnésicas) , más preferentemente aún minerales de montmorillonita (Mont) y/o de saponita (Sap) , dichos manerales obtenibles a partir de bentonitas, con características cristaloquímicas antagónicas, y cuya abundancia en la naturaleza hace que sean extremadamente económicas. Bentonitas como las referidas son muy comunes en toda la superficie terrestre por lo que, teniendo en cuenta que el transporte es uno de los factores que encarecen el producto, el diseño de los sistemas de fabricación debe ser lo más económico posible para implantar estos sistemas de fabricación allá donde se requiera la depuración de las aguas. Indicar que las propias montmorillonita y saponita deben ser tenidas en cuenta como parte del catálogo de materiales adsorbentes dadas sus excelentes cualidades en la depuración de las aguas.

Los métodos de obtención se han diseñado con el objetivo de generar un amplio catálogo de materiales absorbentes, económicos, basados en minerales naturales (las arcillas) y que sean capaces de eliminar contaminantes de las aguas de consumo. Además, una de las características que influyen en el diseño de los métodos de obtención es la necesidad de escalar fácilmente la síntesis en función de las cantidades que se requieren ante cada problemática específica de depuración de las aguas para consumo. Con el objeto de, en primer lugar, economizar los procesos y, en segundo lugar, evitar la saturación de los centros adsorbentes, se determinan las capacidades de cambio catiónico de los materiales de partida mediante el método del acetato amónico (Sumner and Miller, 1996) . De esta forma, a diferencia los métodos sintéticos clásicos en la formación de los PILCS (pillared interlayer clays) publicados, en el diseño de las síntesis de los OSML (óxidos soportados sobre monoláminas 2: 1 de arcillas) que a más adelante se describen, los reactivos (óxidos metálicos) no se añaden en exceso sino que las cantidades que se añaden a los reactores son siempre iguales a los equivalentes correspondientes a la capacidad de cambio catiónico calculados para cada una de las esmectitas que se utilizan como materiales de partida. Otra diferencia importante frente al estado de la técnica se refiere a que dichos métodos de obtención comprenden una etapa de deslaminación, tras la etapa, en su caso, de acondionamiento (preferentemente mediante cavitación ultrasónica) que permite generar monocapas del material base o de partida (minerales de arcilla, preferentemente minerales de esmectita, más preferentemente minerales de esmectitas dioctaédricas y/o minerales de esmectitas trioctraédricas, más preferentemente aún minerales de Mont y/o de Sap) .

Adicionalmente, la invención refiere métodos implementados en computador de selección de materiales absorbentes para el tratamiento o depuración de aguas contaminadas, particularmente de selección de materiales absorbentes obtenidos mediante los procedimientos de obtención de materiales... [Seguir leyendo]

1. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas que comprende (1) una etapa de dispersión y deslaminación del material base o de partida, dicho material base o de bartida comprendiendo minerales de arcilla, dicha etapa de deslaminación generando mono capas de dicho material base o de partida; (2) una etapa de impregnación con una solución reactiva de dichas mono capas de dicho material base o de partida, dicha solución reactiva comprendiendo óxidos metálicos, dicha etapa de impregnación comprendiendo la adición de una cantidad de dicha solución reactiva igual a los equivalentes correspondientes a la capacidad de cambio catiónico calculada para dicho material base o de partida; (3) una etapa de decantación y lavado de los materiales originados tras las etapas anteriores; (4) una etapa de secado y calcinación de los materiales originados tras las etapas anteriores; y (5) una etapa de molienda que permite la obtención de partículas dispersas a partir de los materiales originados tras las etapas anteriores de forma controlada tanto para evitar la amortización del material como la formación de agregados duros.

2. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas según la reivindicación anterior caracterizado por que la etapa de deslaminación comprende un proceso de cavitación ultrasónica que dispersa las partículas del material base o de partida y genera mono láminas 2: 1 de dicho material base o partida.

3. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas según la reivindicación anterior caracterizado por que el proceso de cavitación ultrasónica se realiza mediante un sistema de ultrasonidos de alta energía que trabaja de forma continua.

4. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la etapa de impregnación se realiza en reactores cilíndricos de base cónica y por que la suspensión resultante tras añadir la solución reactiva al material base o de partida dispersado, deslaminado y en forma de mono láminas se somete a agitación.

5. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la etapa de decantación y lavado comprende (1) detener la agitación, (2) retirar el líquido que queda sobre el material sólido decantado, (3) lavar dicho material sólido usando agua destilada y en agitación, y (4) repetir los pasos (1) a (3) hasta que el agua de lavado tenga una conductividad determinada, preferentemente inferior a 10 IlS/cm.

6. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la etapa de secado y calcinación comprende (1) el secado homogéneo mediante transmisión térmica por convección y (2) la calcinación mediante horno para anclar los reactivos en la superficie y transformarlo en nuevos centros activos absorbentes.

7. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la etapa de molienda se realiza en molinos de bolas industriales con esferas de acero, preferentemente de diámetro superior a 10 mm, dichas bolas girando a velocidad constante, por ejemplo mediante rodillos, hasta obtener partículas dispersas del material.

8. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el material base

o de partida comprende minerales de esmectita.

9. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas según la reivindicación anterior caracterizado por que el material base o de partida comprende minerales de esmectitas dioctaédricas y/o de esmectitas trioctraédricas.

10. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que el material base

o de partida comprende minerales de montmorillonita y/o de saponita.

11. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la solución reactiva comprende óxidos metálicos de hierro y/o de aluminio.

12. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 10 Y 11 caracterizado por que la solución reactiva comprende una disolución de FeCb·6H20.

13. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 10 Y 11 caracterizado por que la solución reactiva se prepara a partir de una disolución de FeCb'6H20 y de una disolución de NaOH, dicha solución reactiva preparada vertiendo a temperatura ambiente y lentamente la disolución de NaOH sobre la disolución de FeCh'6H20 bajo condiciones controladas de pH, dicho pH controlado mediante una bomba y un sensor de pH y una disolución de HCl.

14. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 10 Y 11 caracterizado por que la solución reactiva comprende una disolución de Policloruro de Aluminio (17% Ah03) en agua destilada en una relación 1 :30 en volumen.

15. Método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 10 Y 11 caracterizado por que la solución reactiva comprende (1) una solución que se prepara a partir de una disolución de FeCh'6H20 y de una disolución de NaOH, dicha solución preparada vertiendo a temperatura ambiente y lentamente la disolución de NaOH sobre la disolución de FeCh'6H20 bajo condiciones controladas de pH, dicho pH controlado mediante una bomba y un sensor de pH y una disolución de Hcl; y (2) una solución que comprende una disolución de Policloruro de Aluminio (17% Ah03) en agua destilada en una relación

:30 en volumen.

16. Materiales absorbentes obtenidos mediante el método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas conforme a cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 15.

17. Materiales intermedios generados durante la realización del método de obtención de materiales absorbentes para depuración o tratamiento de aguas conforme a cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 15.

18. Uso de los materiales aborbentes conforme a la reivindicación 16 en depuración o 10 tratamiento de aguas.

19. Uso de los materiales intermedios conforme a la reivindicación 17 en depuración o tratamiento de aguas.

20. Uso de minerales de montmorillonita como materiales absorbentes en depuración o tratamiento de aguas.

21. Uso de minerales de saponita como materiales absorbentes en depuración o tratamiento de aguas. 20