DISEÑO DE UN GENERADOR DE OZONO PARA DISMINUIR PRESENCIA DE MANGANESO EN AGUA SUPERFICIAL. Marco Antonio Clemente Salazar* Instituto Tecnológico de Chihuahua Departamento de Eléctrica-Electrónica Ing en Comunicaciones y Electrónica (IPN, México), Ing. en Informática (INPG, Francia), MS en Informática (USMG, Francia), Dr-Ing en Informática (USMG, Francia). Areas de interés: Informática, Electrónica, Desarrollos tecnológicos de impacto social. Ganador del Premio Chihuahua y del Premio Nacional Banobras. Av. Tecnológico No. 2909 31310 Chihuahua, Chih.
[email protected] Manuel Piñón Miramontes Junta Municipal de Aguas y Saneamiento de Chihuahua Av. Ocampo No.1604 331000 Chihuahua, Chih. mpiñ
[email protected] José Alfredo Torres Lozano Instituto Tecnológico de Chihuahua Departamento de Eléctrica-Electrónica Av. Tecnológico No. 2909 31310 Chihuahua, Chih.
[email protected] RESUMEN. Dada la importancia del agua en una zona desértica como es Chihuahua, se plantea el problema: el uso del cloro provoca que éste reaccione con las sustancias del agua superficial generando sustancias cancerígenas. Este proyecto plantea el utilizar un método diferente de purificación de agua: usar ozono en vez de cloro. Se explica brevemente la metodología en cada etapa del proyecto. Finalmente se detalla el prototipo. Se muestran diferentes diagramas a bloques del sistema. Palabras Clave : Potabilización, Generador de Ozono, Agua superficial, Diseño Electrónico. INTRODUCCIÓN. Chihuahua tiene un grave problema de abastecimiento de agua. Una sequía prolongada, la evaporación de agua en las presas, la escasez de mantos freáticos y el aumento de la población agudizan el problema. En la ciudad, el 4% de agua que se potabiliza es del tipo superficial y se obtiene de la presa Chihuahua. Aproximadamente unos seis mil habitantes son los que utilizan esta agua potabilizada. Este tipo de agua contiene manganeso (Piñón et al., 2002) y (Piñón et al.,1999) el cual provoca graves trastornos en la calidad del agua como: produce color, produce olor y también produce manchas en fibras tanto naturales como sintéticas. Según la norma oficial mexicana, el nivel máximo permitido es de 0.15 mg/l (NOM – 127 –5SA1-1994) y una concentración óptima para evitar tales problemas es de 0.020 mg/l. La concentración de manganeso en el agua superficial que proviene de la presa Chihuahua es de 0.3 mg/l, es decir, el 100% de diferencia con el nivel máximo permitido. Para resolver este problema, se le agrega cloro en gas pero la materia orgánica que contienen el agua reacciona formando compuestos denominados trihalometanos: cloroformo, diclorobromometano, bromoformo, dibromoclorometano. las cuales son sustancias cancerígenas.
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La alternativa propuesta en este trabajo consiste en utilizar gas ozono (Massechelein, 1982) y (Rice et al.,1986). Esta sustancia es un poderoso oxidante lo cual permite desodorizar, decolorar y esterilizar el agua sin producir compuestos peligrosos para la salud. Existe varios métodos para generar ozono en grandes cantidades. El método usado es el de la descarga corona que ioniza oxígeno y genera ozono (Rice et al.,1986) y (Torres, 2002). El proyecto está enmarcado en un convenio entre el Instituto Tecnológico de Chihuahua y la Junta Central de Aguas y Saneamiento. OZONIZADOR ELECTRICO. Un aparato que produce ozono mediante descargas eléctricas se llama ozonizador (Massechelein, 1982) . Este se compone principalmente de dos partes: el generador de ozono y el módulo de enfriamiento. Generador de ozono. La distribución básica son dos electrodos separados por una capa aisladora y un espacio de aire. Ver Fig.1. Se aplica una corriente alterna de voltaje elevado. El espacio de aire se llena de un fulgor difuso llamado descarga ozonizadora. Para obtener la descarga es necesaria la capa aisladora ya que sin ella solo se produciría una chispa o un arco. La corriente alterna permite recoger las cargas de electrones durante un semi-ciclo de la corriente y soltarlos al invertir la polaridad. La producción de ozono depende directamente del voltaje y la frecuencia a la cual opere el generador, tomando en cuenta que a mayor frecuencia menor es el voltaje aplicado a los electrodos y viceversa. Módulo de enfriamiento. El enfriamiento es absolutamente necesario ya que el ozono se descompone térmicamente en oxígeno, es decir, a altas temperaturas, el ozono se destruye. Es necesario en esta parte hacer pasar una corriente de aire que extraiga el ozono. EL PROTOTIPO. Las especificaciones más importantes del generador de ozono son (Clemente y Torres, 2000): Voltaje de alimentación: 110 v a 60 Hz. Producción de ozono: 2.8 a 4.3 gr/hr Voltaje de descarga: 10,000 a 12,000 v
Frecuencia de operación: 350-1000Hz Potencia máxima: 1.2 KW. Sistema de enfriamiento: agua.
El generador comporta dos partes que nos son significativas internamente: La parte química-mecánica y la parte electrónica. La primera se compone de compresor, enfriador, separador, secadores y generador de ozono. Ver Fig. 3. La segunda se compone de: rectificador-doblador, generador de señales, pre-amplificador, amplificador de potencia, transformador de alto voltaje. Ver Fig. 4. La parte electrónica comporta algunos circuitos secundarios para mejorar el desempeño como por ejemplo: un protector contra picos de voltaje y un filtro. Etapas desarrolladas. El diseño electrónico está en su fase final, restando solamente el transformador de alto voltaje. Se ha terminado la construcción de los equipos adicionales del sistema de generación de ozono tales como la cámara de reacción y el sedimentador de placas inclinadas para una capacidad de 12 lt/min. Se construyó asimismo una caseta para alojar los equipos durante la etapa de prueba de disminución de manganeso. Materiales y métodos. Las pruebas de disminución de manganeso se realizarán en la planta potabilizadora de la ciudad. La medición de manganeso se realizará con un kit de campo de la compañía Hach. La determinación de trihalometanos se realizará en un cromatógrafo de gases marca Perkin Elmer GC200 Autosystem, equipado con un detector de conductividad electrolítica. Cabe precisar que la alimentación de aire previamente secado es a un flujo aproximado de 1.0 lt/min y se secará el aire con sílica gel y alúmina activada. El sistema de enfriamiento es por medio de agua. Ver Fig. 3.
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En cuanto al método recordemos que se eligió el de descarga corona para la producción de ozono. El método de construcción consiste en diseñar, implementar y probar cada módulo por separado. Se han descrito los módulos funcionales. EL MODELO MATEMÁTICO. La obtención del modelo matemático (Torres, 2002) se ha hecho por partes, sobre los módulos que constituyen el sistema de control. El sistema es un sistema retroalimentado en lazo cerrado. La planta está constituida por la celda de descarga y el control que se lleva a cabo es sobre la temperatura de ésta. Un diagrama a bloques, indicando las principales variables de entrada y de salida para cada bloque, se presenta en la Fig. 2. Cada bloque tiene su función de transferencia particular. A manera de ejemplo, la función de transferencia de G1 es: G1 = 9.67 CdVsf[Vo – ((Cd+Cg)/Cd) Vs]
ecuación (1)
en donde Cd = capacitancia del dieléctrico, Vs = voltaje máximo al cual se forma el arco, Vo = voltaje pico dela señal de entrada, f = frecuencia, Cg = capacitancia de la capa del gas. La importancia del modelo matemático es que nos permite tener un comportamiento teórico del sistema global y sobre el cual pueden hacer referencia las mediciones y las pruebas empíricas que se hagan una vez terminado el generador. Resumiendo, la Fig. 2 es un diagrama a bloques del sistema global. CONCLUSIONES. Se han hecho algunas estimaciones teóricas y la respuesta esperada del generador está mostrada en la Fig. 5. Por el momento no se ha detallado la necesidad de agregar y dosificar un coagulante para que el agua quede libre de materia orgánica. Esto es necesario porque la totalidad de la materia orgánica presente no se oxida. También es importante tomar en consideración que el ozono que no reacciona se debe destruir para evitar problemas de contaminación en la atmósfera. BIBLIOGRAFÍA. Clemente Salazar, M.A. , Torres Lozano, J.A. (2000). Aspectos básicos para el diseño de un generador de ozono. XXII Congreso Internacional de Ingeniería Electrónica. ELECTRO 2000. Div. de Estudios de Postgrado e Investigación. Instituto Tecnológico de Chihuahua. Octubre. pp 11-16 Massechelein, W.J. (1982). Ozonization manual for water and wastewater treatment. .John Wiley and Sons. Piñón Miramontes, M., Clemente Salazar, M.A. y Torres Lozano J.A. (2002). Design of an ozone generator for removal manganese on surface water. VI International Symposium on Environmental Biotechnology and IV International Symposium on Cleaner Bioprocesses and Sustainable Development. Veracruz, México. June 9-12. Piñón Miramontes, M. et al. (1999). Eliminación de manganeso de aguas del río Chuvíscar en la ciudad de chihuahua aplicando ozono. Junta Municipal de Aguas y Saneamiento de Chihuahua. Rice, R.G., Bollyky, J. and Lacy, W.J. (1986). Analytical aspects of ozone. Lewis Publishers, Inc. Torres Lozano., J.A. (2002) . Diseño de un generador de ozono para la eliminación de manganeso y trihalometanos en agua superficial. Tesis de Maestría en Ciencias. División de Estudios de Postgrado e Investigación. Instituto Tecnológico de Chihuahua. (sin publicar).
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Figura 1. Diagrama de un ozonizador eléctrico.
Figura 2. Diagrama a bloques del Modelo Matemático.
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Figura 3. Diagrama a bloques del Generador de Ozono.
Figura 4. Diagrama a bloques del Sistema electrónico.
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ESTIMACIONES
Ozono
6
5
4
3
2
1
12
11.5
11
10.5
10
9.5
9
8.5
Potencia (x100)KW
8
7.5
7
6.5
6
5.5
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
Concentración de ozono gr/hr
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Figura 5. Respuesta esperada de desempeño del generador.
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