Quines són les utilitats del sulfat d'alumini en el tractament de l'aigua?

Com funciona el sulfat d'alumini com a coagulant en el tractament de l'aigua

Entenent la coagulació i el paper del sulfat d'alumini en la desestabilització de partícules en suspensió

El tractament de l'aigua comença amb la coagulació, un procés que reuneix petites impureses perquè puguin ser eliminades posteriorment. El sulfat d'alumini funciona molt bé en aquest cas, ja que quan es dissol allibera ions d'alumini trivalents (Al³⁺) que bàsicament anul·len les càrregues negatives de partícules en suspensió a l'aigua, com ara partícules d'argila, fragments de material orgànic i fins i tot alguns microbis perillosos. Quan aquestes càrregues són neutralitzades, les partícules deixen de repel·lir-se mútuament i comencen a agrupar-se durant la fase de barreja ràpida, que normalment dura entre un i dos minuts. La majoria de les plantes de tractament d'aigua troben que el sulfat d'alumini dóna els millors resultats quan el pH de l'aigua es troba entre 5,5 i 7,5. Tanmateix, la quantitat de sulfat d'alumini necessària varia força, típicament entre 50 i 300 mil·ligrams per litre, depenent de la turbidesa de l'aigua i del tipus de contaminants presents.

Mecanisme químic del sulfat d'alumini en la formació de flocs i la remoció d'impureses

Un cop equilibrades les càrregues, l'alumini comença a descompondre's mitjançant hidròlisi, la qual cosa genera hidròxid d'alumini (Al(OH)3). Aquesta substància forma un sòlid de tipus gelatinós que és molt eficaç per atrapar partícules que volem eliminar de l'aigua. A mesura que aquests petits grups anomenats flocs es desenvolupen, poden arribar a mides compreses entre mig mil·límetre i fins a tres mil·límetres. Això fa que sedimentin correctament als dipòsits de tractament. Quan tot funciona bé, aquest mètode elimina aproximadament de l'85% fins pràcticament el 100% de la turbidesa de les mostres d’aigua i elimina també uns dos terços fins a quatre cinquens dels compostos orgànics indesitjats. Estudis mostren que aquests flocs d'hidròxid s’adsorbeixen a diversos contaminants dissos en solució, com ions fosfat i diferents tipus de metalls pesats, formant enllaços a les seves superfícies. Aquesta acció d’adsorció millora realment l’eficàcia general de tot el sistema de depuració.

Comparació amb coagulants alternatius: eficiència, cost i consideracions pràctiques

El clorur fèrric pot eliminar gairebé tot el fòsfor de l'aigua, de vegades fins a un 98%, cosa que és molt millor que l'alumini, que n'elimina aproximadament entre el 70 i el 85%. El problema, però, és que el clorur fèrric corroeix les canonades i l'equipament molt més ràpidament, fet que obliga els municipis a gastar més en reparacions i substitucions. Els polímers sintètics són una altra opció que produeix aigua molt clara amb poc fang residual després del tractament, però aquests materials tenen uns preus que els fan poc pràctics per a la majoria de plantes de tractament d'aigües residuals. Per això moltes ciutats continuen utilitzant alumini malgrat les alternatives més modernes. L'alumini existeix des de fa dècades, funciona de manera fiable sense necessitar procediments de configuració complicats i no suposa un desbordament pressupostari com sí que passa amb algunes de les opcions més sofisticades. Per a governs locals amb pressupostos ajustats i infraestructures envellides, continuar amb allò que coneixen té sentit, encara que tècnicament no sigui l'opció més eficient disponible.

Motius ambientals: alumini residual i seguretat a llarg termini en aigua tractada

L'Organització Mundial de la Salut ha establert un nivell màxim permès de 0,2 mil·ligrams per litre d'alumini residual en l'aigua potable degut a les preocupacions sobre possibles efectes sobre la funció cerebral al llarg del temps. Les instal·lacions de tractament d'aigua que utilitzen tècniques de filtrat més modernes poden reduir aquests rastres d'alumini entre un 70 i fins i tot un 90 per cent en comparació amb els mètodes antics. Controlar els nivells de pH durant tot el procés i afegir una etapa addicional amb membranes especials després del tractament ajuda a garantir que es mantinguin dins els límits segurs establerts per les autoritats sanitàries. Això manté la salut de les persones sense reduir l'eficàcia de tot el procés de purificació.

Millora de la transparència de l'aigua i eliminació de la turbidesa en sistemes municipals d'aigua

El sulfat d'alumini continua sent una opció habitual per tractar l'aigua a les ciutats, ja que pot reduir l'enteliment de l'aigua aproximadament en un 90%. El que passa és que anul·la les càrregues elèctriques de partícules minúscules com trossos d'argila, pols fina i fins i tot organismes petits que floten al sistema d'abastament d'aigua. Aquestes partícules s'agreguen formant flocs més grans que sedimenten amb més facilitat. Una investigació publicada l'any 2021 va indicar que, quan s'aplica correctament, el nivell de turbiditat baixa per sota de 0,3 NTU, cosa que realment compleix les directrius de l'Organització Mundial de la Salut per a aigua potable clara. El fet que això funcioni tan bé significa menys pressió sobre els filtres en etapes posteriors del sistema. Les plantes funcionen millor en general i també estalvien diners, especialment important per als sistemes d'aigua de grans ciutats que serveixen milions de persones cada dia.

Eliminació de matèria orgànica, patògens i metalls pesants mitjançant coagulació

La forma en què funciona l'almunca quan es tracta de coagulació significa que pot treure tot tipus de contaminants diferents d'una sola vegada. La matèria orgànica que es dissol que en l'aigua s'adhereix a aquests flocs d'hidròxid d'alumini que es formen durant el tractament. I bacteris com l'E. coli i paràsits com la Giardia també es veuen atrapats físicament en aquest procés. Quan el pH es manté al voltant de 6,5 a 7,5, la investigació indica taxes d'eliminació entre 85% i 92% per a metalls pesants, incloent plom, arsènic i crom. El que fa que aquest enfocament sigui tan valuós és que tracta múltiples contaminants junts, reduint les necessitats addicionals de desinfecció. Tot i així, aconseguir la dosi correcta és molt important perquè si hi ha massa restes d'alumini, pot superar el límit segur de 0,2 mg per litre, el qual no és bo per a ningú.

Millorar l'eficiència de la sedimentació i la filtració

Quan es tracta amb alúmen, els flocs tendeixen a asentar-se entre un 40 i un 60 per cent més ràpidament en les conques de sedimentació en comparació amb les partícules sense tractament, el que fa que la separació dels sòlids sigui molt millor. El precipitació més ràpida significa que els filtres s'obstrueixen menys sovint, de manera que poden funcionar més temps abans de necessitar neteja, reduint el rentar en un 30%. El que és interessant és com la consistència pegajosa dels flocs d'hidròxid d'alumini funciona com una capa de filtre addicional dins dels llats de sorra. Aquests flocs agafen partícules més petites que un micròmetre que de alguna manera han passat durant la primera etapa de coagulació. Totes aquestes millores juntes signifiquen que els sistemes de tractament de bona qualitat poden eliminar més del 99,9% de totes les partícules de l'aigua final.

Eliminació eficaç del fòsfor en les aigües residuals municipals i industrials

L'alumini funciona força bé per eliminar el fòsfor gràcies a les reaccions d'intercanvi de lligands que tant comentem en els àmbits de tractament d'aigües. Bàsicament, quan els ions Al3+ entren en contacte amb els ions ortofosfat (PO4^3-), es combinen per formar fosfat d'alumini (AlPO4) que no es dissol en aigua. Aquest compost s'assenta i després s'elimina mitjançant filtració mecànica. Analitzant dades de 45 plantes diferents de tractament de residus a Europa, els investigadors van observar que l'ús d'alumini reduïa els nivells de fòsfor total per sota de 0,5 mg/L en aproximadament el 88 per cent d'aquestes instal·lacions. Això realment compleix amb el requerit per la Directiva Marc de l'Aigua de la UE en relació als estàndards d'aigua neta. El producte destaca especialment en el tractament de corrents residuals provinents de processadores d'aliments i fabricants tèxtils, ja que les seves aigües residuals solen tenir nivells molt alts de fòsfor, arribant sovint a superar els 15 mg/L en proves de concentració.

Reducció de la turbidesa i contaminants en corrents d'aigües residuals amb alta càrrega

L'acció dual de coagulació-floculació de l'alumini fa que sigui adequat per tractar aigües residuals complexes i amb alta càrrega:

• Suspensions col·loidals : Neutralitza partícules carregades negativament en aigües amb turbiditat superior a 1.000 NTU
• Metalls pesants : Metalls pesats: Codiposita Pb²⁺ i Cr³⁺ mitjançant la formació d'hidròxids a pH 9 - 9,5
• Càrregues orgàniques : Redueix la demanda química d'oxigen (DQO) entre un 65-80% en efluents de fàbriques de paper mitjançant l'enllaç amb lignina i proteïnes

Les dades de camp de set parcs industrials a la Xina mostren que l'alumini aconsegueix una eliminació del 98% dels sòlids totals en suspensió (STS) en corrents amb contingut inicial de sòlids superior a 5.000 mg/L, demostrant un rendiment robust en condicions exigents.

Estudi de cas: Implementació exitosa en plantes urbanes de tractament d'aigües residuals

Una planta municipal europea que atén 1,2 milions d'habitants va assolir millores significatives després de canviar al coagulant de sulfat d'alumini. Processant 300.000 m³/dia d'aigües residuals, la instal·lació va informar:

Durant una prova de 18 mesos, la planta va mantenir nivells residuals d'alumini per sota de 0,2 mg/L assolint alhora una eliminació del 94% del fòsfor i una reducció del 82% del DQO, confirmant l'eficàcia i viabilitat econòmica de l'alumini en la gestió de residuals a gran escala.

Optimització del rendiment del sulfat d'alumini: dosificació, pH i condicions de l'aigua

Interval de pH òptim i estratègies de dosificació per a una eficiència màxima de coagulació

Els millors resultats per a la coagulació es produeixen quan el nivell de pH es manté entre aproximadament 5,5 i 7,5. Dins d'aquest interval, el procés esdevé molt més eficient, arribant a millorar fins a un 40 o 60 per cent en comparació amb el que succeeix fora d'aquests valors. Pel que fa a la quantitat d'alum que cal utilitzar, la majoria de tractaments requereixen entre 5 i 200 mil·ligrams per litre. Tanmateix, si l'aigua és molt fangosa o conté molts contaminants, en algunes situacions pot arribar a necessitar-se fins a 500 mg/L. Per determinar exactament què funciona millor en un lloc concret, l'anàlisi en frasc de proves continua sent un dels mètodes més fiables disponibles. Això ajuda a evitar l'ús excessiu d'alum, que podria deixar al rere alumini en excés a l'aigua per sobre del límit segur de l'Organització Mundial de la Salut de 0,2 mg/L. No obstant això, un cop el pH supera el valor de 7,5, comencen a aparèixer problemes, ja que l'hidròxid d'alumini esdevé menys soluble. Això dificulta la formació adequada de flocs i, en definitiva, redueix l'eficàcia general del tractament.

Influència de la temperatura de l'aigua, alcalinitat i composició iònica

L'aigua que roman per sota dels 10 graus Celsius realment ralentitza la velocitat de les reaccions durant els processos de tractament. Això significa que els flocs es formen molt més lentament, arribant a trigar entre un 30 i un 50 per cent més del normal, i els operadors han de barrejar les substàncies durant períodes més llargs. Pel que fa als nivells d'alcalinitat, tenen un paper important per evitar que el sistema es torni massa àcid després de l'addició d'alumini. Si l'alcalinitat baixa per sota dels 50 mil·ligrams per litre expressats com a carbonat de calci, la majoria de les plantes de tractament acaben necessitant calç o bicarbonat de sodi addicional només per mantenir el pH prou estable per al funcionament adequat. Un altre problema apareix quan hi ha una alta força iònica a l'aigua, superior als 1000 microsiemens per centímetre. Aquesta condició comprimeix realment els diminuts estrats elèctrics al voltant de les partícules, fent que s'agreguin menys eficacement. El resultat? La coagulació funciona aproximadament un 40 per cent pitjor en aquestes condicions. Totes aquestes variables indiquen per què disposar de bons sistemes de monitoratge en temps real marca tanta diferència, especialment per a instal·lacions que tracten qualitats d'aigua canviant durant les diferents estacions.

Avantatges i reptes de l'ús de sulfat d'alumini en el tractament de l'aigua

Principals beneficis: rendiment econòmic, fiabilitat i versatilitat en diferents sistemes de tractament

L'alumini, o sulfat d'alumini, destaca com un coagulant econòmic i fiable utilitzat en moltes instal·lacions de tractament d'aigua, tant municipals com industrials. En comparació amb opcions com el clorur fèrric, redueix les despeses d'explotació aproximadament entre un 30 i un 50 per cent, mantenint alhora taxes de retirada superiors al 95% per a factors com la turbidesa i els patògens perillosos. El que fa que aquesta substància sigui tan versàtil és la seva eficàcia tant en petits sistemes rurals d'aigua com en grans plantes urbanes de tractament. Els operadors poden ajustar les dosis segons el tipus de qualitat de l'aigua que es presenti dia a dia. Quan els nivells de pH es mantenen dins del rang òptim d'aproximadament 5,5 a 7,5, l'alumini aconsegueix eliminar entre un 70 i un 90% dels contaminants orgànics indesitjats. I reconeguem-ho, quan el pressupost és clau, l'alumini sovint supera clarament les solucions PAC per a instal·lacions que vigilen de prop els seus costos.

Limitacions habituals: Generació de fangs, necessitat d'ajust del pH i consideracions ambientals

L'alum té alguns inconvenients. Crea entre un 15 i un 30% més de fangs en comparació amb els polímeros sintètics, el que significa més costos d'eliminació i una logística més complicada per a la gestió de residus. Quan l'alúm es descomposa en els processos de tractament d'aigua, en realitat redueix el nivell de pH. Per contrarestar aquest efecte, les instal·lacions de tractament d'aigua han de gastar diners en substàncies alcalines com la cal. Aquestes compres de productes químics poden ocupar gairebé el 20% del seu pressupost operatiu global només per mantenir l'aigua al nivell d'acidesa adequat. Els reguladors ambientals estan seguint de prop la quantitat d'alumini que queda en l'aigua tractada després de la seva transformació, de manera que és essencial seguir la recomanació de l'Organització Mundial de la Salut de no més de 0,2 mg per litre. La bona notícia és que investigacions recents mostren que quan els operadors ajusten els seus mètodes de dosificació i els combinen amb sistemes de filtració més nous, poden reduir la creació de fangs en un 40%. Aquest enfocament també ajuda a complir amb aquestes importants normes de l'EPA i AWWA per a l'aigua potable segura sense comprometre la qualitat.

PREGUNTES FREQUENTS

Quin és el paper principal del sulfat d'alumini en el tractament de l'aigua?

El sulfat d'alumini actua com a coagulant en el tractament de l'aigua, ajudant a desestabilitzar les partícules en suspensió perquè puguin ser eliminades eficaçment mitjançant processos de tractament addicionals.

Com afecta el sulfat d'alumini als nivells de pH de l'aigua tractada?

El sulfat d'alumini tendeix a reduir els nivells de pH de l'aigua tractada, per la qual cosa les instal·lacions sovint necessiten afegir substàncies alcalines com la calça per mantenir el rang de pH òptim per a un tractament eficaç.

Hi ha preocupacions ambientals associades a l'ús de sulfat d'alumini?

Sí, l'alumini residual en l'aigua tractada és una preocupació, ja que pot tenir impactes potencials en la salut. Així, els sistemes de tractament tenen com a objectiu mantenir els nivells residuals per sota de 0,2 mg/l com recomana l'Organització Mundial de la Salut.

Per què el sulfat d'alumini és preferit a altres coagulants malgrat les seves limitacions?

El sulfat d'alumini és econòmic, fiable i versàtil, el que el converteix en una opció preferida per a molts municipis, especialment aquells amb restriccions pressupostàries i infraestructura existent.