Síntesis de CaCO3 poroso para la precipitación química de fosfato en sistemas en lote.

Abstract

"El fósforo es la sustancia limitante que contribuye a la eutrofización de cuerpos de agua superficial. Su acumulación es ocasionada por las descargas de efluentes de las plantas de tratamiento y la dificultad que existe en controlar que no sobrepasen niveles de concentración permitidos. Para que las descargas no influyan en la calidad de las aguas receptoras, la legislación sobre el fósforo en el ambiente, es cada vez más estricta a nivel mundial. Por lo cual, la recuperación de la concentración traza de fósforo de aguas residuales municipales tratadas es pertinente, tanto para contribuir a la disminución del impacto ambiental a cuerpos receptores, así como para generar una estrategia sustentable de reintegración del fósforo al sistema de producción de alimentos. Entre los procesos actuales para la remoción de fósforo, la precipitación química está limitada por su cinética de reacción lenta y el uso de una cantidad excesiva de productos químicos. El objetivo de esta investigación es desarrollar un tratamiento de recuperación de fósforo en base a un material reactivo, con características fisicoquímicas que mejoren la cinética de precipitación de fosfato, y enfocado en tratar altos volúmenes de efluentes con concentración traza, como un método de pulido al final del tratamiento. El presente proyecto de investigación de maestría, consiste en la síntesis de carbonato de calcio (CaCO3) en condiciones en las que se modifique su hábito cristalino para inducir una alta área específica. Una mayor área debida a la porosidad, promueve el contacto del material con el medio acuoso, y por tanto mejora la cinética de disolución del material. La disolución del material con una liberación paulatina de iones calcio (Ca2+) genera condiciones de saturación que propician la formación de sólidos de fosfatos de calcio (Ca-PO4) e incrementa su capacidad de precipitación por su superficie como sustrato. La síntesis de CaCO3 se realizó mediante dos metodologías de prueba: una técnica de carbonatación y la segunda por precipitación química en presencia de aditivos orgánicos. Los materiales sintetizados se caracterizaron para verificar la pureza y conocer sus propiedades superficiales. Así también se evaluó su cinética de disolución, ya que se espera que la disolución parcial del CaCO3 genere condiciones de saturación que incrementen la capacidad de precipitación de sólidos de Ca-PO4. Finalmente sobre los materiales con mejores características fisicoquímicas, se evaluó la capacidad de precipitar fosfato en un sistema de tanque agitado. Los resultados demuestran que el CaCO3 sintetizado tanto por la metodología de precipitación con aditivos así como la de carbonatación, se caracteriza por una mayor velocidad de disolución, que se puede atribuir a su morfología de alta área superficial (hasta 21.2 m2 /g). Las fases cristalinas obtenidas corresponden a calcita y aragonita. En cuanto a la capacidad de precipitación de fósforo, el CaCO3 modificado demuestra alta eficiencia en el sistema de tanque agitado con una solución PO4 3- de 2.4 mg P/L. El material con mayor capacidad alcanzó 65% de remoción dentro de los 10 minutos de reacción en el sistema y alcanzo un 94% al final de la puesta en operación."

"Phosphorous is one of limit nutrient that can trigger eutrophication of fresh water bodies. Phosphorous inputs and accumulation can be driven by treated wastewater discharge and needs of treatment to no exceed permissible limit contents. To avoid that these discharges affect quality of receiving natural waters, governments are adopting more strict regulations. Whereby, the recovery of phosphorous trace concentration is adequate from municipal treated wastewater, to contribute to the reduction of the environmental impact as well as to generate a phosphorus reintegration strategy to the food global supply system. In existing processes for phosphorous removal chemical precipitation is commonly used, however it is limited because of its slow kinetics reaction and the excessive amount of chemicals that needed. The aim objective of this research is to develop a reactive material for chemical precipitation as method improvement, which included chemical properties of reactive material that increased phosphate precipitation kinetics. This study is focused on application as polishing method for phosphorus recuperation of the effluent in the wastewater plants. In this purpose, the present project consist in the synthesis of calcium carbonate (CaCO3), in conditions that promote crystalline structure modifications and results in high surface area. Porosity leads higher surface area in contact with solution, which could improve dissolution kinetics of material. Gradual ions liberation by dissolution of material creates microsaturation conditions for phosphates solids formation, and the substrate surface could increase precipitation capacity. The synthesis of CaCO3 was carried out by two testing methods: by a carbonation process and the second by chemical precipitation in the presence of organic additives. The synthesized materials were characterized to verify its purity and surface properties. Thus, dissolution kinetics was also evaluated, it is expected that the partial dissolution of CaCO3 will generate saturation conditions that increase the precipitation capacity of Ca-PO4 solids. Finally, materials with improved physicochemical characteristics are tested in their ability to precipitate phosphate in a stirred tank system. Results show that the CaCO3 synthesized by precipitation and carbonation methods is characterized by a high dissolution rate, attributed to its high surface area morphology (up to 21.2 m2 /g). The phases obtained correspond to calcite and aragonite. In concern to phosphorus precipitation capacity, modified CaCO3 has enhanced efficiency in batch system with PO4 3- solution of 2.4 mg P/L. The material with greater capacity showed 65% removal within 10 minutes of the reaction in the system, and reached 94% at end of performance."