1 10 3 https://repoedum.ismm.edu.cu/files/original/9b14caec7464584614df8762db2ba875.pdf 3772bed03ca6353e185beceddba2eeda PDF Text Text MONOGRAFÍA PROCEDIMIENTO PARA LA SELECCIÓN DE ESPESOR DE AISLAMIENTO TÉRMICO EN TUBERÍAS DE TRANSPORTE DE COMBUSTIBLE CON TRAZAS DE VAPOR M. Sc. AMAURIS GILBERT HERNÁNDEZ Dr. YOALBYS RETIRADO MEDIACEJA �Procedimiento para la selección de espesor de aislamiento térmico en tuberías de transporte de combustible con trazas de vapor �Procedimiento para la selección de espesor de aislamiento térmico en tuberías de transporte de combustible con trazas de vapor Autores: Lic. Amauris Gilbert Hernández Dr. Yoalbys Retirado Mediaceja Editorial Digital Universitaria de Moa �Página legal Título de la obra: Procedimiento para la selección de espesor de aislamiento térmico en tuberías de transporte de combustible con trazas de vapor, 52pp Editorial Digital Universitaria de Moa, año 2016 – ISBN: 978-959-16-3140-4 1. Autores: M. Sc. Amauris Gilbert Hernández Dr. Yoalbys Retirado Mediaceja 2. Institución: Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa “Dr. Antonio Núñez Jiménez”. Edición y corrección: M. Sc. Niurbis La Ó Lobaina Institución del autor: Instituto Superior Minero Metalúrgico de Moa “Dr. Antonio Núñez Jiménez” Editorial Digital Universitaria de Moa, año 2016 La Editorial Digital Universitaria de Moa publica bajo licencia Creative Commons de tipo Reconocimiento No Comercial Sin Obra Derivada, se permite su copia y distribución por cualquier medio siempre que mantenga el reconocimiento de sus autores, no haga uso comercial de las obras y no realice ninguna modificación de ellas. La licencia completa puede consultarse en: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ar/legalcode Editorial Digital Universitaria Instituto Superior Minero Metalúrgico Las coloradas s/n, Moa 83329, Holguín Cuba e-mail: edum@ismm.edu.cu Sitio Web: http://ismm.edum.edu.cu Editorial Digital Universitaria de Moa �ÍNDICE DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 1 1. SELECCIÓN DE ESPESOR DE AISLAMIENTO TÉRMICO EN EL TRANSPORTE POR TUBERÍAS ................................................................ 3 1.1. Introito .................................................................................................. 3 1.2. Breve reseña histórica ............................................................................. 3 1.3. Precedentes de la investigación ................................................................. 4 1.3.1. Trabajos relacionados con la selección de espesor de aislamiento térmico .......................................................................................... 4 1.3.2. Trabajos relacionados con el transporte de petróleos pesados ................ 8 1.4. Materiales aislantes ................................................................................12 1.4.1. Funciones básicas del aislamiento térmico...........................................12 1.4.2. Normativas de materiales aislantes ....................................................13 1.5. Aspectos de interés sobre los materiales aislantes ......................................14 1.5.1. Clasificación de los materiales aislantes ..............................................14 1.5.2. Características de los termoaislantes ..................................................15 1.6. Criterios de selección del espesor de aislante .............................................17 1.7. Mecanismos de transferencia de calor empleados en la selección del espesor de aislamiento térmico ..............................................................19 1.8. Clases de combustibles cubanos...............................................................21 1.8.1. Efecto de la temperatura ..................................................................23 1.9. Aplicación del transporte de combustibles por tuberías................................24 1.9.1. Tuberías con trazas de vapor.............................................................24 1.9.2. Ventajas del transporte por sistemas de tuberías .................................25 2. PROCEDIMIENTO PARA LA SELECCIÓN DEL ESPESOR TÉCNICO RACIONAL DE AISLAMIENTO ...............................................................27 �2.1. Introito .................................................................................................27 2.2. Selección del espesor técnico racional de aislamiento .................................28 2.2.1. Pérdida de calor desde la sección aislada de la tubería principal .............28 2.2.2. Calor recibido por la tubería principal .................................................32 2.2.3. Temperatura del aire en la cavidad ....................................................33 2.2.4. Espesor técnico racional ...................................................................35 3. PROCEDIMIENTO PARA LA SELECCIÓN DEL ESPESOR ÓPTIMO ECONÓMICO DE AISLAMIENTO ............................................................38 3.1. Introito .................................................................................................38 3.2. Espesores de aislamiento ........................................................................39 3.3. Pérdidas energéticas para cada espesor de aislamiento ...............................40 3.4. Valor de las pérdidas energéticas .............................................................43 3.5. Valor actualizado de las pérdidas..............................................................44 3.6. Incremento del ahorro ............................................................................44 3.7. Incremento de la inversión del aislamiento ................................................45 3.8. Espesor óptimo económico ......................................................................45 BIBLIOGRAFÍA...........................................................................................46 �INTRODUCCIÓN El oleoducto es el medio por excelencia para el transporte de combustible en tierra, constituyendo la vía más rápida y económica de trasegar cantidades considerables de combustible (Gilbert et al., 2014). Sin embargo, la utilización y quema del combustible cubano CM-650, formulado a partir de mezclas de petróleo crudo cubano de alta viscosidad, presenta numerosas dificultades para su transporte, requiriéndose de técnicas especiales para la mejora de sus propiedades. Lo anterior conlleva a que se estudien vías a través de las cuales pueda mejorarse la fluidez del combustible pesado. El calentamiento del combustible a una temperatura adecuada para el bombeo, constituye la alternativa más usual y viable aplicada en la actualidad (Laurencio, 2012). Sin embargo, cuando las distancias de transporte son considerables el calentamiento inicial del combustible no es suficiente, producto del calor que se cede a lo largo de la tubería, lo que conlleva a un aumento de la viscosidad. En estos casos resulta de gran ayuda el empleo de un calentamiento complementario de la tubería, con la utilización de trazas de vapor, las cuales deben quedar aisladas térmicamente en conjunto con la línea de combustible. No obstante aunque por esta vía se logra disminuir el gradiente de temperatura del combustible producto del calor aportado por la traza de vapor, solo para el espesor apropiado de aislamiento se logra garantizar un adecuado régimen térmico, capaz de mantener una temperatura estable en el oleoducto, o disminuir considerablemente las diferencias entre las temperaturas de ingreso y salida a la instalación, con respecto a una instalación similar sin este complemento térmico. Pese a lo planteado, el proceso de selección de espesor de aislamiento térmico en tuberías con trazas de vapor ha sido escasamente estudiado, debido fundamentalmente a la complejidad de estos tipos de sistemas. De ahí que la selección se realice generalmente por los procedimientos desarrollados para sistemas radiales, que poseen otra geometría y por ende un análisis diferente. A esto se suma la generalización de los procedimientos existentes al no tratar las cualidades de los líquidos transportados, dando paso a que persistan como principales deficiencias: 1 �• Los procedimientos para estimar el espesor de aislamiento térmico han sido desarrollados para sistemas radiales y no consideran la cavidad formada en una instalación con trazas de vapor y el análisis de los procesos convectivos asociados. • No se consideran resistencias térmicas y ganancias de calor propios de este tipo de instalación, lo que limita la adecuada estimación del espesor de aislamiento térmico que garantice las necesidades del proceso de transporte. • No se realiza un análisis riguroso de las propiedades termofísicas de los fluidos trasegados, así como su integración en los modelos establecidos para la obtención del espesor de aislamiento térmico. 2 �Capítulo 1 SELECCIÓN DE ESPESOR DE AISLAMIENTO TÉRMICO EN EL TRANSPORTE POR TUBERÍAS 1.1. Introito La adecuada selección de espesor de aislamiento térmico en instalaciones de transporte de combustible de extensa longitud, resulta una tarea difícil si se requiere mantener un régimen térmico adecuado, situación que se complejiza cuando la configuración de la instalación no posee la forma estándar, como lo constituyen las tuberías de transporte de combustible con trazas de vapor. Es por ello que se torna indispensable el estudio de las teorías de selección de aislamiento térmico, la transferencia de calor y las características de los combustibles trasegados, así como la indagación de los trabajos precedentes relacionados con el tema, de forma que puedan contribuir en el análisis y la solución del problema investigado. 1.2. Breve reseña histórica Desde la antigüedad los fenicios y egipcios ya sabían obtener hilos de vidrio, elementos que obtenían sumergiendo una varilla metálica en un crisol que contenía vidrio en fusión y retirándola rápidamente. Bien entendido que en esta época no se trataba de lana de vidrio para aislamiento, sino para fines textiles. Sin embargo, la primera comunicación sobre este material aislante no aparece hasta el siglo XVIII y se debe al físico y naturalista francés Antoine de Reamur en 1713. Hasta principios del siglo XX la lana de vidrio fue una simple curiosidad. No existen datos precisos que señalen el momento a partir del cual se desarrolla su utilización como aislamiento térmico; sin embargo, parece que coincide con la 3 �aparición de un nuevo procedimiento de fibrado. El algodón de vidrio se obtenía dejando caer un hilo de vidrio fundido con un chorro de vapor. Así se lograba obtener gotas de vidrio prolongadas en una aguja fina. Las cualidades aislantes de estas fibras groseras no tardaron en ser advertidas. Mientras tanto, el aumento del desarrollo industrial impuso la necesidad creciente de los calorifugados. A partir de este momento, los procedimientos de fibrado empiezan a progresar rápidamente y durante la primera guerra mundial (1914-1918) por razones del bloqueo, los alemanes continuaron activamente las investigaciones para reemplazar los aislantes tradicionales de los que carecían (corcho, amianto y tierra de diatomeas). En Francia la pionera fue la sociedad, La Seda de Vidrio, cuya fábrica fue destruida en 1940 tras un bombardeo. En España comienza la fabricación de este material en la granja Segovia, en el año 1942, por la sociedad EXPACO S.A y comercializada bajo la marca VITROFIB (ISOVER, 2004a). 1.3. Precedentes de la investigación 1.3.1. Trabajos relacionados con la selección de espesor de aislamiento térmico Desde los años 60 las aplicaciones más comunes de los materiales aislantes se dan en elementos de construcción e instalaciones, en los cuales pueden combinarse capas de diferentes materiales a fin de proporcionar rigidez y resistencia, con un peso y espesor mínimo (Hummel y Fisher, 1966). Del Pozo (1982), asevera que la traza de vapor constituye una vía adecuada para el recalentamiento de tuberías y muestra varias de las configuraciones que puede asumir la traza en conjunto con la tubería principal, para garantizar el calentamiento de la misma; sin embargo el trabajo se limita a mostrar algunas de las disposiciones posibles y no refleja la vía de obtener el espesor de aislamiento para lograr el régimen térmico deseado. Monteagudo et al. (1998), proponen una metodología de cálculo que permite determinar el espesor del aislamiento térmico de tuberías con acompañamiento de vapor. En la misma se parte de un balance térmico, el cual considera que el 4 �calor proveniente de la tubería acompañante de vapor se disipa en el calentamiento de la tubería principal y en las pérdidas de calor al medio exterior. Dicha metodología no tiene en cuenta las resistencias térmicas que presupone el espesor de la tubería de trasiego, la resistencia desde el fluido al interior del conducto, y la variación de las propiedades termofísicas, al considerarse homogénea la temperatura del combustible trasegado en el interior del conducto. Campo (2001) plantea que la estimación precisa del espesor de aislamiento en tuberías que transportan fluidos calientes, puede ser determinada con cierta facilidad articulando conocimientos de los métodos numéricos y la trasferencia de calor. La demostración de lo planteado se basa en la solución algebraica de un sistema de almacenamiento de energía, resuelto a través de una ecuación algebraica no lineal, permitiendo estimar el espesor del aislamiento para tuberías encargadas del trasiego de fluidos calientes en régimen laminar o turbulento. Para determinar el espesor óptimo económico de aislamiento en tuberías, ISOVER (2004a) propone un procedimiento que se basa fundamentalmente en la actualización de los ahorros energéticos aportados entre dos espesores consecutivos, para un periodo evaluado y la comparación de este parámetro con el incremento del ahorro, estableciendo como espesor del material aislante aquel que muestra un costo total mínimo. Aunque el procedimiento incorpora elementos novedosos desde punto de vista económico se ve limitado por la configuración de los sistemas de transporte utilizados, al no considerar sistema con trazas de vapor. Según ISOVER (2004b) el espesor mínimo de aislamiento térmico en tuberías que transportan fluidos calientes, puede ser seleccionado de manera sencilla, conociendo la temperatura del fluido y el diámetro exterior de la tubería. Aunque el trabajo muestra una primera aproximación del espesor de aislamiento, posee la limitación de estar desarrollado para conductividad térmica igual a 0,040 W/m·K a 20 materiales aislantes de o C y asumir espesores constantes para diámetros mayores de 0,14 m. Según el instituto para la diversificación y ahorro de la energía, aquel espesor que minimice el costo total teniendo en cuenta su período de explotación, se corresponde con el espesor óptimo económico. Evidenciándose que a mayor espesor de aislamiento, será mayor costo de inversión y menor flujo de calor 5 �intercambiará el elemento, disminuyendo el costo de energía asociado a su explotación. De forma tal que para obtener el espesor económico se expresen todos los costos en función del metro de superficie de aislamiento (IDAE, 2007). Massó (2008) propone dos procedimientos para el cálculo del espesor de aislamiento térmico de tuberías, un procedimiento simplificado y otro alternativo, ambos en función de la potencia térmica nominal instalada, basado en el reglamento de instalaciones térmicas en los edificios. Vega y Batista (2009), presentan un algoritmo para el cálculo térmico de oleoductos que transportan combustibles viscosos, con la utilización de trazas de vapor como medio de calentamiento. El método empleado vincula el transporte de fluidos y el calentamiento de combustible en el interior de tuberías. No obstante, el trabajo está orientado al diseño de este tipo de instalaciones y no realiza un análisis riguroso en la estimación del espesor de aislante térmico. El aislamiento de las tuberías es un factor crucial durante la fase de diseño, debido a las elevadas pérdidas térmicas de la red y su impacto en la eficiencia global del sistema. Los materiales aislantes se caracterizan por su conductividad térmica, que varía en función de la densidad y la temperatura. El aislamiento necesario en la red debe ser suficiente para garantizar pérdidas inferiores al 15 y 20 %, condición alcanzable según el espesor del material aislante (López, 2010). En relación con el tema plantean Tejela y San Martín (2010) que cuanto mayor es la temperatura de transporte de una instalación, mayor aislamiento térmico debe emplearse; sin embargo, al considerar que esto no es viable por razones económicas y de ocupación de espacio, se han producido una serie de materiales que, con un espesor mínimo garanticen estas condiciones. La existencia de un espesor óptimo de aislamiento para los sistemas radiales, es explicada por la presencia de efectos inversos asociados con un incremento del espesor. Aunque en la conducción la resistencia aumenta con el espesor de aislamiento, la resistencia por convección decrece debido al área de la creciente superficie exterior. Por tanto, el espesor óptimo de aislamiento es aquel que minimiza la pérdida de calor maximizando la resistencia térmica total (Incropera y Dewitt, 1999, 2007; Bergman et al., 2011).En el trabajo de estos autores se realiza un riguroso análisis térmico, pero ha sido poco acogido por la comunidad científica, por no 6 �responder a criterios específicos en la selección del espesor de aislamiento térmico. Son de relevante importancia los trabajos realizados por Laurencio y Delgado (2008a) y Laurencio (2007, 2010, 2012). En estos la búsqueda de parámetros racionales de transporte por tuberías del combustible cubano crudo mejorado 650, los conllevó a determinar modelos para la obtención de las propiedades termofísicas, que describen las regularidades de este combustible en las condiciones de operación de las instalaciones de trasiego, se considera como principal limitación de estas investigaciones, restringir el estudio para un único espesor de aislamiento. En relación con estos trabajos Pérez (2013) determina, los parámetros técnicos económicos racionales para el transporte de petróleo por tuberías, considerando entre otros aspectos los espesores del material aislante. Considerando la baja conductividad térmica de los polímeros, InfoTUB (2013) actualizó el procedimiento para la selección de espesor de aislamiento térmico de redes de tuberías plásticas, siguiendo los criterios indicados en la norma UNE-EN ISO 12241 (2010). Aunque los elementos expuestos pueden resultar interesantes, son muy limitadas las aplicaciones para el desarrollo del método. Para determinar el espesor de aislante necesario que impida la condensación en las tuberías, Armacell (2013) ha desarrollado métodos gráficos y analíticos que permitan mantener esta condición, sin embargo el trabajo ha sido particularizado para aislamiento térmico flexible de espuma elastomérica. El espesor de aislamiento térmico adecuado de una instalación de transporte de combustible con traza de vapor fue determinado por Gilbert et al. (2012a, 2013). El método empleado para la selección del espesor del material aislante, parte de un balance de energía y brinda la posibilidad de tener en cuenta las propiedades termofísicas y de flujo del combustible trasegado. Gilbert et al. (2014a) desarrollaron un modelo matemático que permite seleccionar el espesor de aislamiento térmico para tuberías de trasiego de petróleo con traza de vapor, el cual incorpora características termofísicas y de flujo del combustible trasegado (CM-650). Utilizando como material aislante manta de lana de roca Spintex 322-G-70S, realizó un análisis comparativo entre una instalación con traza de vapor y otra con las tuberías dispuestas de forma 7 �independiente, evidenciándose en la primera un mejoramiento de las condiciones de flujo y una disminución del gradiente de temperatura del combustible. El espesor óptimo económico de aislamiento térmico es determinado por Gilbert et al. (2014b), en el cual se propone el modelo para calcular la pérdida total de calor en una instalación con trazas de vapor, lo cual constituye un modesto aporte en la selección del espesor óptimo económico de aislamiento térmico, en instalaciones con este tipo de configuración. 1.3.2. Trabajos relacionados con el transporte de petróleos pesados Para explicar el análisis evolutivo acerca del estudio de los fluidos no newtonianos y de forma específica de los petróleos crudos, Laurencio (2012) realizó un riguroso estudio de los factores que influyen, en el comportamiento reológico de estos combustibles y de su composición, aspectos que son seguidamente expuestos: Desde fines del siglo XVIII y a lo largo del siglo XIX, la mecánica de los fluidos se ve enriquecida por los estudios teóricos y experimentales de Henri Darcy, por su discípulo y continuador H. Bazin y por el médico Jean Poiseulle, interesado en la circulación de la sangre. Sobresalieron también en el aspecto teórico Julios Weibach y Gottlieh Hagen, y se destacan los científicos Lagrange, Helmholtz, Saint-Venatt, Ventura y Pitot entre otros (Otero, 1989; Laurencio, 2007; Ochoa, 2011). El primer intento de incluir los efectos de la viscosidad en las ecuaciones que gobiernan la dinámica de fluidos se debió al ingeniero francés Claude Navier en 1827 e independientemente al matemático británico George Stokes, quien en 1845 perfeccionó las ecuaciones básicas para los fluidos viscosos incompresibles. Actualmente se les conoce como ecuaciones de Navier-Stokes (Laurencio, 2007; Ochoa, 2011). En Cuba el desarrollo de los estudios de fluidos no newtonianos no se promueve hasta después del triunfo de la Revolución, y han devenido una de las bases principales del progreso científico técnico en este campo de la ciencia. Refiriéndose a la viscosidad de los fluidos y en específico a los no newtonianos, varios han sido los autores que abordan esta temática, de vital importancia, en el desarrollo de la investigación del flujo de fluidos. En este aspecto resultan interesantes los trabajos de De la Paz (2002) y, Caldiño y Salgado (2004), sin embargo se señala como principal limitación, no tener en 8 �cuenta el comportamiento del fluido para variaciones de la temperatura; siendo esta variable de gran influencia en la estructura y propiedades de la materia, según refieren los resultados obtenidos por diferentes investigaciones (Da Silva et al., 2005; Dak et al., 2007; Andrade et al., 2009; Vandresen et al., 2009; Trapeznikov, 2011). El avance tecnológico en la industria del petróleo se debe en buena medida a las herramientas y metodologías proporcionadas por la física. En particular, los estudios geológicos y dieléctricos se pueden considerar como los más conocidos y eficaces para estudiar los petróleos parafínicos y asfalténicos (Maruska y Rao, 1987). En los últimos años las herramientas aplicadas al estudio, caracterización y control de crudos asfalténicos y parafínicos, aparecen como técnicas altamente promisorias mediante la aplicación de campos eléctricos y magnéticos, ya sea por separado o combinadas sus acciones con el efecto de la temperatura. El comportamiento electrorreológico de los petróleos crudos, debido a la presencia de asfaltenos, es un campo que puede desentrañar algunas características aún desconocidas de estos últimos; la aplicación de campos eléctricos en petróleos con contenido de agua puede acelerar el rompimiento entre el enlace de fases dispersas y continuas (Mechetti et al., 2000). Harms (1991) a partir del estudio de un petróleo parafínico, propuso un método para controlar la acumulación de depósitos de parafina en la tubería de producción y líneas de flujo. La herramienta previene la obstrucción de la tubería por sedimentos utilizando la caracterización a diferentes temperaturas. Wang (1991) y Wang y Dong (1995) realizaron estudios del comportamiento de la viscosidad en diferentes petróleos pesados, comparando la acción de la temperatura y el campo magnético sobre el área de flujo. En todos los casos la viscosidad disminuyó y según sus recomendaciones el generador de campo magnético puede ser conectado a la tubería en el sistema de bombeo mecánico. Chen et al. (1994) investigaron el efecto de la aplicación del campo eléctrico alterno en la viscosidad del petróleo pesado y su emulsión, donde se observó la formación de largas cadenas de gotas entre electrodos, que resulta de los dipolos inducidos en las gotas de agua en presencia del campo eléctrico. 9 �Mechetti et al. (2000), presentan resultados de estudios del comportamiento reológico de petróleos crudos asfalténicos a diferentes temperaturas y bajo la acción del campo eléctrico. Investigaron el comportamiento viscosimétrico de un petróleo crudo argentino de baja viscosidad con 7 % de contenido de asfaltenos; donde encuentran una dilatancia atípica para un crudo de baja viscosidad relativa y también una anomalía termorreológica (mayor viscosidad para una mayor temperatura), resultados análogos a los planteados por Ferro et al. (2004). La dilatación mostrada se explica por la presencia de partículas cargadas en suspensión coloidal, lo que podría atribuírsele en este caso a la presencia de asfaltenos. Por otro lado Mechetti et al. (2001) llevaron a cabo estudios electrorreológicos de petróleos crudos y emulsiones; analizando el comportamiento de la viscosidad en condiciones de flujo para diferentes velocidades de deformación e intensidades de campo, donde observaron un rompimiento rápido de la emulsión, lo que resulta de gran importancia para el proceso de extracción de agua en los crudos. Similar al trabajo anterior, Balan et al. (2008) caracterizan el comportamiento de un petróleo crudo al ser tratado mediante variaciones del campo eléctrico y magnético para diferentes temperaturas. Mediante este estudio demostró la relación de variaciones de la viscosidad para distintas temperaturas e intensidades del campo electromagnético. Aunque la emulsión no es el método más empleado en el transporte de petróleos, destacan los resultados obtenidos con la Oriemulsión en Venezuela; se encuentran además los trabajos de Romo (1993); Romo (1998), donde se determina que las emulsiones con un 70 % de petróleo pesado y 5 % de sustancia tensoactiva, tienen una alta fluidez porque la viscosidad se ha reducido a menos de una décima parte de la viscosidad del petróleo pesado si se logra formar una emulsión directa. Vita et al. (2001) en sus estudios relacionados con propiedades reológicas de un petróleo pesado mexicano y la estabilidad de sus emulsiones, determina que el petróleo mantenía un comportamiento seudoplástico a diferentes condiciones de temperatura de experimentación y logran obtener estabilidades hasta de nueve meses, considerándose resultados satisfactorios al compararse la disminución significativa de la viscosidad de la emulsión con la viscosidad del petróleo sin emulsionar. 10 �De igual manera Ferro (2000) y Ferro et al. (2004) a partir del estudio realizado a un petróleo crudo cubano, precisan la influencia de determinadas variables en la preparación de emulsiones, emplean productos de la pirólisis para su utilización como pinturas asfálticas. En el trabajo experimental se emplearon dos tipos de agentes emulsionantes. En los estudios reológicos de los petróleos se observaron comportamientos seudoplásticos y plástico ideal para todos los casos. Benítez et al. (2004) analizan la influencia de aditivos en las propiedades físicas del crudo cubano. Los resultados mostraron que existe influencia notable en el por ciento de carbón, cenizas, densidad, viscosidad y valor calórico, alejándose para algunas concentraciones de las normas establecidas para estos parámetros. Demuestran que las propiedades físicas del combustible con las muestras de aditivo presentan cierta variación respecto al combustible, en cuanto a punto de inflamación y por ciento de agua no existe influencia de los aditivos. En Díaz y Falcón (2004), se exponen los resultados del estudio reológico de un petróleo crudo cubano y sus emulsiones; se brinda información de las investigaciones llevadas a cabo en este campo así como se obtienen experimentalmente las curvas de flujo en viscosímetros rotacionales para el petróleo crudo cubano y emulsiones elaboradas. De forma similar Manals y Falcón (2005) analizan la influencia que presentan los productos de pirólisis y los agentes emulsionantes sobre la tensión superficial y las propiedades del petróleo crudo cubano. Falcón et al. (2006) describen los resultados de un estudio llevado a cabo sobre la estabilidad de las mezclas de combustible. La estabilidad se evaluó por propiedades macroscópicas tales como la viscosidad y la densidad. También se estudió el efecto de los agentes tensoactivos en estas mezclas y la estratificación de las muestras durante el almacenaje. Laurencio y Delgado (2008a) efectúan el estudio a un petróleo crudo cubano y sus emulsiones; se determinó que tanto el petróleo como la emulsión presentaban comportamiento seudoplástico. Laurencio y Delgado (2008b) incluyen la influencia de la temperatura en los modelos antes mencionados, obteniéndose un resultado de mayor aplicabilidad práctica. 11 �1.4. Materiales aislantes Pardal (2009) planteó que el material aislante por excelencia es aquel formado por un conjunto de microceldillas, conteniendo aire en reposo. A la baja conductividad térmica del aire se le suma la resistencia a la transmisión del calor, que supone pasar de un medio transmisor a otro (aire – sólido). Del Pozo (1982) define los materiales aislantes como cuerpos de composición heterogénea y de apariencia fibrosa, porosa, celular, granular u hojaldrada, que contienen numerosas celdillas de aire aprisionadas entre los elementos sólidos que lo constituyen. Por regla son materiales con baja conductividad térmica, la formación de estas bolsas de aire favorece la obstrucción al paso del calor, ya que el aire presenta una conductividad térmica muy baja y se dispone de él con facilidad (CONAE et al., 2008). 1.4.1. Funciones básicas del aislamiento térmico El aislamiento térmico se emplea en la industria desde el propio inicio de la era industrial, aunque el desarrollo se produjo a partir de la segunda década del siglo XX. Señalan Jensen y Løpppenthien (2008), que son dos las funciones básicas del aislamiento: la reducción de las ganancias térmicas del ambiente exterior y la limitación de condensación alrededor de la tubería, con el fin de reducir los riesgos de corrosión. De ahí que, en las normas internacionales EN 14114 (2002) y EN ISO 15758 (2004) se presenten los principios para minimizar acumulación de humedad en los materiales aislantes. Según ISOVER (2004a) las razones para la utilización del aislamiento térmico son fundamentalmente: • Necesidades de proceso, para evitarse transferencias térmicas que obstruyan las operaciones por diferencias de temperaturas no admisibles. • Seguridad de las personas y bienes, al no existir el aislamiento térmico las temperaturas superficiales externas pueden ser elevadas y provocar lesiones y accidentes en las personas. En caso extremo se puede producir efectos de combustión e incendio en materiales inflamables próximos a estas superficies. • Reducción de las pérdidas energéticas, mostrándose como el mejor método de ahorro de energía conocido, permitiendo la amortización del material aislante instalado en períodos de tiempo muy bajos. 12 �• La reducción de la contaminación ambiental. La mayor parte de la energía que se utiliza en los procesos térmicos procede de la transformación de un combustible por reacción exotérmica del mismo con el oxígeno ambiental. • Para mantener la temperatura del proceso. En la industria metalúrgica y química algunos procesos son sensibles a los cambios de temperatura y es necesario aislar las tuberías de flujo con el fin de mantener una temperatura estable en toda su extensión (CONUEE et al., 2008). 1.4.2. Normativas de materiales aislantes El comportamiento de un producto en relación a cómo reacciona al fuego se refiere tanto a su aplicación final, como a las propiedades del material y el ataque térmico. Así que habrá de ensayarse el comportamiento del producto para reflejar su uso final. Un producto durante su aprovechamiento puede tener diferentes comportamientos y aplicaciones. Son varias las normativas europeas (Tabla 1.1) que especifican los métodos de ensayo de diferentes materiales, para la determinación de la inflamabilidad de los productos, mediante la aplicación de llama pequeña, radiación nula y utilizando muestras en posición vertical (González, 2005). Aunque gran parte de estos materiales son producidos y ensayados en Europa, su aplicación es universal y varios han sido empleados en Cuba en diversos sectores de la industria. Tabla 1.1. Aislantes térmicos normalizados en Europa Material aislante Norma Lana mineral (lana de roca) EN 13162 Poliestireno expandido EN 13163 Poliestireno extruido EN 13164 Espuma de poliuretano EN 13165 Espuma de resina fenólica EN 13166 Lana de vidrio EN 13167 Losas de lana de madera EN 13168 Placas de perlita expandida EN 13169 Corcho expandido EN 13170 Fibras de la madera EN 13171 13 �1.5. Aspectos de interés sobre los materiales aislantes 1.5.1. Clasificación de los materiales aislantes El aislamiento térmico en forma de lodo, arcilla, paja, tejidos y trozos de madera, se usó por primera vez en el siglo XVIII sobre las máquinas de vapor, para impedir que los trabajadores sufrieran quemaduras producidas por las superficies calientes. Como resultado disminuyeron las temperaturas del cuarto de calderas y se observó una reducción del consumo de combustible. La mejora en el funcionamiento de la máquina y el ahorro de energía, estimularon la búsqueda de materiales con mejor eficiencia térmica (CONAE et al., 2008). Como es visible, desde el inicio fueron disimiles los materiales utilizados para realizar la tarea de aislar el calor, sin embargo, el desarrollo alcanzado en este área del conocimiento, permite clasificar los materiales aislantes en tres grandes grupos considerando su origen, estructura y temperatura. • Aislantes de origen animal o vegetal Su origen • Aislantes de origen mineral • Productos de síntesis • Aislantes pulverulentos • Aislantes fibrosos  de origen animal Su estructura • Espumas  sintéticas  aglomeradas • Aislantes refractarios Su temperatura • Aislantes semirrefractarios • Aislantes ordinarios Fuente: Del Pozo, 1982. 14 �1.5.2. Características de los termoaislantes Un material aislante se caracteriza por el valor de su conductividad térmica; su poder aislante es tanto más elevado cuanta más pequeña es su conductividad (ISOVER, 2004a). La mayoría de los materiales que se emplean como aislantes (Tabla 1.2) no son sustancias homogéneas o puras. Algunos materiales tienen conductividad no isótropa debido a su estructura fibrosa. En otros materiales sólo puede considerarse una conductividad térmica aparente, originada por su falta de homogeneidad, bien por su estructura porosa o por la variedad de sustancias integrantes. En cualquiera de estos casos la conductividad depende de la estructura, composición, porosidad y densidad (Tejela y San Martín, 2010). Tabla 1.2. Materiales empleados como aislantes térmicos • Corcho • Cañas • Algodón • Algas • Arlita • Paja • Cáscaras de trigo, escanda • Hierba • Lino • Lana natural de oveja • Cáñamo • Vidrio expandido • Virutas de madera • Poliestireno expandido • Celulosa • Espuma celulósica • Fibra de madera • Espuma de polietileno • Lana de madera • Film alveolar de polietileno • Cocos • Espuma de poliuretano • Aerogel • Espuma elastomérica • Lana de roca • Lana de vidrio Independiente de la amplia variedad de materiales aislantes que existen, el uso práctico resulta más restringido, centrándose la atención en un grupo reducido, debido a la superioridad de sus propiedades y comodidad en cuanto a su instalación. En tal sentido CONAE et al. (2008) describen las características y propiedades de los principales materiales termoaislantes usados en las instalaciones industriales. 15 �Fibra de vidrio Es un termoaislante fabricado a partir del estado de fusión de una mezcla de arenas, con alto contenido de sílice. Según su proceso de manufactura, se presenta en dos formas: Con aglutinantes orgánicos, presentando estructura propia y preforma. Se fabrica en forma de guata, coquillas, placas rígidas y semirrígidas. Su densidad comercial es comúnmente entre 16 y 96 kg/m3, variable según el producto, uso, rigidez y temperatura recomendada. Posee baja conductividad térmica, facilidad de corte, alta capacidad para recuperar su forma, baja resistencia al impacto y a la compresión, buena estabilidad dimensional, bajos costos de instalación y buena absorción de ruido. Se debe proteger contra la intemperie y abuso mecánico. Su temperatura máxima de aplicación es 727 K (454 °C). Con aceites minerales que evitan abrasión entre fibras y que dan lugar a mantas. Su densidad comercial usual es 48 kg/m3. Presenta baja conductividad térmica, facilidad de corte, alta resiliencia, baja resistencia al impacto y a la compresión, buena estabilidad dimensional, bajos costos de instalación y buena absorción de ruido. Se debe recubrir contra la intemperie y evitar la exposición al trabajo mecánico. Su temperatura máxima de aplicación es hasta 728 K (455 °C). Lana de roca Es un termoaislante hecho a partir del estado de fusión de roca tipo basáltica o semejante, con alto contenido de alumino-silicatos. Según su proceso de manufactura, se presenta en dos formas: Con aglutinantes orgánicos. Poseen estructura propia y preforma. Dan lugar a mantas, coquillas, placas rígidas y semirrígidas. Presenta baja conductividad térmica, facilidad de corte, alta resiliencia, baja resistencia al impacto y a la compresión, buena estabilidad dimensional, bajos costos de instalación y buena absorción de ruido. Se debe proteger con recubrimiento contra la intemperie y abuso mecánico. Su temperatura máxima de aplicación es hasta 923 K (650 °C) para coquillas, y hasta 1 255 K (982 °C) para placas rígidas y semirrígidas. Con aceites minerales que evitan abrasión entre fibras y que dan lugar a mantas. Su densidad comercial usual es de 96 a 144 kg/m3. Posee baja conductividad térmica, facilidad de corte, alta resiliencia, baja resistencia al impacto y a la compresión, buena estabilidad dimensional, bajos costos de instalación y buena 16 �absorción de ruido. Se debe proteger de la intemperie y su temperatura máxima de aplicación es hasta 923 K (650 °C). Poliestireno Es un termoaislante celular producido a partir del espumado de polímeros plásticos, que dan lugar a un material rígido de celda cerrada. Disponible en mantas y placas. Su densidad comercial es 32 kg/m3. Su temperatura máxima de aplicación es hasta 353 K (80°C). No contiene clorofluorocarbonos. Es un material ligero de excelentes características de corte e impermeable al agua. Es combustible, aunque se puede producir como autoextinguible. Requiere barrera de vapor y protección contra intemperie. Poliuretano Es un termoaislante celular producido a partir del espumado de polímeros plásticos que dan lugar a un material rígido de celda cerrada. Disponible en coquillas, placas y espumado en sitio. Su densidad comercial es 32 kg/m3. Su temperatura máxima de aplicación es hasta 383 K (110 °C). Contiene clorofluorocarbonos. Es un material ligero de excelentes características de corte e impermeable al agua. Su formulación varía con cada fabricante. Es combustible, aunque se puede producir como autoextinguible. Requiere barrera de vapor y protección contra intemperie. 1.6. Criterios de selección del espesor de aislante Definir el espesor de aislante en una determinada instalación puede ser función de varios criterios. En la mayoría de los casos el procedimiento suele ser iterativo, ya que los coeficientes de transferencia de calor dependen en general de la temperatura de las superficies y estas a su vez dependen del flujo de calor transferido que es función del espesor utilizado. En el caso de tuberías, el coeficiente de convección puede depender del diámetro exterior de la tubería y éste a su vez depende del espesor de aislamiento (IDAE, 2007). Los criterios de selección más empleados por el sector industrial y los servicios son los que a continuación se relacionan: Para intercambiar un flujo de calor dado El caso más sencillo en la estimación del espesor de aislante térmico consiste en asignar un valor a la densidad de flujo de calor, lo cual comúnmente suele ser 17 �fijado por experiencia. Aunque en la práctica habitual es bastante empleado, sus resultados pueden ser muy alejados de valores óptimos de diseño. En el caso de tuberías el procedimiento es necesariamente iterativo, ya que el radio exterior aparece en los términos resistencia de su capa y resistencia convectiva radiactiva exterior. Para perder un porcentaje de calor con respecto al elemento no aislado Es quizás uno de los criterios más acertados, no obstante hay que destacar que en tuberías pequeñas el cambio de los coeficientes de convección por el exterior es crítico. Por lo tanto este criterio puede parecer acertado para tuberías con un diámetro superior a 10 cm. El proceso de cálculo es idéntico al anterior no obstante, el cálculo se debe realizar dos veces, uno sin la existencia de aislamiento y otro partiendo del flujo de calor que finalmente se desea intercambiar, el cual se obtiene del flujo de calor anterior y el porcentaje asignado. Partiendo de este valor se obtiene el espesor de aislamiento. Para limitar una resistencia térmica o un coeficiente global de transmisión de calor Las ecuaciones utilizadas para esta aplicación están en función de la geometría analizada, de las cuales se deben despejar el espesor de aislamiento. Señalar que en el caso de tuberías el procedimiento es necesariamente iterativo, ya que el radio exterior aparece en ambos términos de la ecuación (ISOVER, 2004d). Para mantener una temperatura superficial exterior Se trata de asignar una temperatura máxima de protección, de forma que los contactos involuntarios no produzcan lesiones. En la práctica se trata de depósitos o tuberías (geometría cilíndrica) que transportan fluidos calientes. La estimación del espesor de aislamiento necesario, se realiza igualando el flujo de calor total transferido, al correspondiente entre la superficie que se quiere proteger y el ambiente exterior (ISOVER, 2004c). Para evitar condensaciones superficiales Debe establecerse una temperatura superficial que sea igual o superior a la temperatura de rocío del ambiente y con ello que no se produzcan condensaciones superficiales. La posibilidad de condensación superficial en 18 �tuberías, se presenta si únicamente por ellas circula un fluido a temperatura inferior a la de rocío del aire que la circunda exteriormente. La capa exterior siempre debe ser impermeable al paso de vapor de agua, por lo que la presencia de dicha capa imposibilita el paso de vapor y por tanto las posibles condensaciones dentro de la misma (ISOVER, 2004d; Armacell, 2013). En función del espesor económico En este supuesto se trata de determinar el espesor que minimice el costo total de la instalación teniendo en cuenta su periodo de explotación. A mayor espesor de aislamiento más costo de inversión se tendrá y menor flujo de calor intercambiará el elemento (ISOVER, 2004a; CONAE et al., 2008; CONUEE et al., 2008), por lo que será menor el costo de energía asociado a su explotación. Teniendo en cuenta ambos costos deberá existir un espesor que minimice el costo total. En función de un tiempo de congelación para tuberías Para algunas aplicaciones en tuberías, es necesario conocer el tiempo que tardará en congelarse el fluido de su interior sin movimiento, partiendo de una determinada temperatura inicial, o planteado de forma alternativa, qué espesor de aislamiento se debe utilizar para que se congele un determinado porcentaje del fluido en un determinado tiempo y con condiciones dadas de temperatura exterior (López, 2010). En función de presentar una diferencia de temperaturas a lo largo de una tubería El calor intercambiado a lo largo de una tubería será utilizado por el fluido interior en modificar su temperatura. Si se limita la máxima diferencia de temperatura del fluido se estará limitando el máximo flujo de calor intercambiado y con ello el espesor de aislamiento adecuado para lograr esta condición. 1.7. Mecanismos de transferencia de calor empleados en la selección del espesor de aislamiento térmico La evaluación de los sistemas de intercambio de calor y conversión de la energía, requieren del conocimiento y aplicación de tres mecanismos diferentes, conducción, convección y radiación, así como de sus interacciones (Góngora, 2013). La selección del espesor de aislamiento térmico no queda exenta de esto, 19 �e independientemente del criterio utilizado, emplea las teorías y leyes de la transferencia de calor. Conducción La transmisión del calor por conducción, ocurre por contacto directo entre las partículas de dos cuerpos, o entre partes de un mismo cuerpo siempre que se encuentren a distintas temperaturas, donde se considera la materia como un medio continuo (Kern, 1999; Martín-Domingo, 2011). Cuando en un cuerpo existe un gradiente de temperatura, ocurre transferencia de energía desde la región a alta temperatura hacia la región de baja temperatura. Se afirma que la energía se ha transferido por conducción y que el flujo de calor por unidad de área es proporcional al gradiente normal de temperatura. La ecuación 1.1 se conoce como Ley de Fourier de la conducción de calor y se emplea cuando el flujo de calor se transmite en una sola dirección (Holman, 1999). Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Monografías Subject The topic of the resource Tesis doctorales defendidas por profesores del ISMM Text A resource consisting primarily of words for reading. Examples include books, letters, dissertations, poems, newspapers, articles, archives of mailing lists. Note that facsimiles or images of texts are still of the genre Text. Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Procedimiento para la selección de espesor de aislamiento térmico en tuberías de transporte de combustible con trazas de vapor Creator An entity primarily responsible for making the resource Amauris Gilbert Hernández Yoalbys Retirado Mediaceja Type The nature or genre of the resource Monografía https://repoedum.ismm.edu.cu/files/original/47f28620a896c2e29ef0f296ff3d88aa.pdf ee27df84b216128ba74053b1be720412 PDF Text Text MONOGRAFIA TECNOLOGIA DE EXPLOTACION DE LOS YACIMIENTOS Dra.C. Maday Cartaya Pire Dr.C. .C. José Otaño Noguel Dr.C. Armando Cuesta Recio Dr.C. Yoandro Dieguez García �Página legal Título de la obra:Tecnología de explotación de los yacimientos, 202pp. Editorial Digital Universitaria de Moa, año.2018 -- ISBN: 1.Autor: Dra.C. Maday Cartaya Pire Dr.C. José Otaño Noguel Dr.C. Armando Cuesta Recio Dr.C. Yoandro Dieguez García 2.Institución: Instituto Superior Minero Metalúrgico ¨ Dr. Antonio Núñez Jiménez¨ Edición: Lic. Liliana Rojas Hidalgo Corrección: Lic. Liliana Rojas Hidalgo Digitalización. Lic. Liliana Rojas Hidalgo Institución de los autores: ISMM ¨ Dr. Antonio Núñez Jiménez¨ Editorial Digital Universitaria de Moa, año 2018 La Editorial Digital Universitaria de Moa publica bajo licencia Creative Commons de tipo Reconocimiento No Comercial Sin Obra Derivada, se permite su copia y distribución por cualquier medio siempre que mantenga el reconocimiento de sus autores, no haga uso comercial de las obras y no realice ninguna modificación de ellas. La licencia completa puede consultarse en: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ Editorial Digital Universitaria Instituto Superior Minero Metalúrgico Ave Calixto García Íñiguez # 75, Rpto Caribe Moa 83329, Holguín Cuba e-mail: edum@ismm.edu.cu Sitio Web: http://edum.ismm.edu.cu �TECNOLOGÍA DE EXPLOTACION DE LOS YACIMIENTOS Dra. C. Maday Cartaya Pire Dr. C. José Otaño Noguel Dr. C. Armando Cuesta Recio Dr. C. Yoandro Dieguez García �INDICE Partes Página PARTE I. INTRODUCCIÓN 4 EL DESARROLLO DE LAS MINAS Y AVANCE DE LOS 6 FRENTES DE TRABAJO. I.1. Algunos Conceptos básicos durante las etapas de explotación. 8 I.2. Principales períodos de trabajo en la minería a cielo abierto. 19 I.3. Esencia de los trabajos a cielo abierto. 31 I.4. Condiciones geológicas de los trabajos mineros. 33 I.5. Conceptos sobre los coeficientes de destape. I.6. Procesos productivos en los trabajos a cielo abierto. 47 APERTURA, PREPACIÓN Y EXPLOTACIÓN DE LOS 50 PARTE II. 42 CAMPOS DE MINAS Y NUEVOS HORIZONTES A CIELO ABIERTO. II.1. Clasificación de los sistemas de apertura en las minas a cielo 50 abierto. II.2. Elementos y parámetros de las trincheras. 51 II.3. Métodos de laboreo de trincheras. 61 II.3.1. Laboreo de trincheras con transporte ferroviario a toda su 61 profundidad. II.3.2. Laboreo de trincheras por capas con transporte ferroviario. 64 II.3.3. Laboreo de trincheras con transporte automotor a toda la 66 altura del escalón. II.3.4. Métodos de laboreo sin utilización de transporte. 69 II.4. Gráfico de organización de los trabajos de apertura y 71 preparación de nuevos horizontes. II.4.1. Apertura con trincheras sucesivas interiores. 76 II.4.2. Apertura con sistema de trincheras cerradas interiores. 82 II.5 PREPARACION DE LAS ROCAS PARA SU EXTRACCIÓN A 88 CIELO ABIERTO. II.5.1. Generalidades sobre la preparación de las rocas para su 88 extracción. 1 �II.5.2 Formación de Escombreras. 91 II.5. 2.1. Tecnología de laboreo de escombreras con excavadoras. 104 II.5.2.2 Tecnología del laboreo de escombreras con bulldozer. 110 II .6 SISTEMAS DE EXPLOTACIÓN A CIELO ABIERTO, 117 PRINCIPALES ELEMENTOS, INDICES Y PARAMETROS. II.6.1. Generalidades y principales elementos del sistema de 117 explotación. III.6.2. Clasificación de los sistemas de explotación, concepto de 120 régimen y etapas de los trabajos mineros. II.6.2.1. Concepto de flujos de carga y circulación de carga en las 122 canteras. II.6.3. Zona laboral de la cantera. 124 II.6.4. Sistemas de explotación y sus clasificaciones. 126 APERTURA, PREPACIÓN Y EXPLOTACIÓN DE LOS 136 PARTE III. YACIMIENTOS PARA SU EXPLOTACION POR EL MODO SUBTERRANEO. III.1. Principales tipos excavaciones subterráneas. 136 III.2. Tipos de excavaciones y requisitos de seguridad. 139 III.3. Clasificación de los esquemas de apertura según el tipo de 144 excavación y su posición con respecto al cuerpo mineral. III.3.1. Evaluación comparativa de los métodos de apertura. 158 III.4. NOCIONES 159 FUNDAMENTALES DE LA PREPARACIÓN SUBTERRÁNEA. III.4.1. Esquemas de preparación. 161 III.4.2. Elección del esquema de preparación. 167 III.5. ELECCIÓN DEL MÉTODO DE EXPLOTACIÓN POR EL 169 MODO SUBTERRANEO. III.5.1. Metodologías para la elección del Método de Explotación. 172 III.5.2. Clasificación de los métodos o Sistemas de Explotación para 175 yacimiento metalíferos dada por M. Agoshkov. III.5.3. Clasificación de los métodos o sistemas de explotación para 178 yacimiento metalíferos dada por la clasificación Norteamérica. (M.L. Jeremic). III.6. Ejemplos de algunos métodos de explotación subterránea. 181 III.7. Características 197 generales del método de explotación subterráneo. BIBLIOGRAFÍA 200 2 �INTRODUCCIÓN La mina más antigua que se conoce en el mundo se localiza en el Cerro de Bomvu, en Swazilandia, y data del año 40.000 a.c, en ella el hombre de Neandertal, minaba hematita para ritos mortuorios (López Jimeno.1998). Resulta impresionante la tremenda perseverancia y desprecio por el riesgo que mostró el hombre desde los orígenes de la historia en sus intentos de perforar la tierra. Partió inicialmente, solo de sus propias manos y poco a poco confeccionó herramientas, rudimentarios martillos, picos, cinceles. Si a esta absoluta precariedad de utensilios de trabajo añadimos los elementales procedimientos de entibación empleados y la ausencia de sistemas de ventilación y evaluación o pronóstico de estabilidad de las obras, comprobamos que la minería implicaba en la antigüedad una formidable, enorme y sacrificada labor. En la actualidad se puede decir que la explotación de yacimientos minerales posee un desarrollo ascendente que cuenta con novedosas tecnologías de explotación que permiten la extracción económicamente rentable y segura de los minerales útiles de las entrañas de la tierra. Por tanto, es evidente que la minería constituye la base de la economía en la mayoría de los países, por lo que es necesario el desarrollo planificado y el crecimiento de esta industria extractiva, de la cual se obtienen las materias primas minerales y los materiales de construcción necesarios para el desarrollo económico y social. Los proyectos desarrollados en la minería deben responder en todas sus etapas al aprovechamiento racional y a la extracción segura de las materias primas minerales necesarias para la industria, que contempla desde la prospección, exploración, explotación, beneficio, transformación, infraestructura, mercado, negociación, así como la investigación y transferencia de tecnología asociados a ellas. Para garantizar esto se requiere de la aplicación de los métodos científicos de investigación en cada uno de los procesos productivos desarrollados en la minería, afiliados a la técnica indisolublemente ligada a la tecnología. 3 �La extracción de materias primas y materiales, demanda de una adecuada tecnología de laboreo, así como el perfeccionamiento de ésta cuando sea necesario. Para ello se emplean métodos y técnicas, enmarcadas en la disciplina de Explotación Minera. La explotación de los yacimientos minerales contempla una serie de etapas y procesos cuyo estudio constituye el objeto de la minería, tales como; destape, apertura o acceso, arranque; sostenimiento (fortificación), carga y transporte, perforación y voladuras, ventilación, ordenamiento y cierre, según el modo de explotación empleado. El presente documento forma parte de las herramientas para enfrentar problemas complejos durante el laboreo de minas. Se parte del conocimiento de los métodos de investigación aplicados a la tecnología de laboreo de yacimientos que contempla tanto la apertura como la explotación en el desarrollo de las minas, el avance de los frentes de trabajo según el modo de laboreo y la argumentación y cálculo de la tecnología utilizada. Los ejemplos y actividades teórico-prácticas que se presentan permiten sistematizar y evaluar el conocimiento sobre el tema y forman parte de la bibliografía que se ha publicado en los últimos años, a partir de la aplicación de los conocimientos y métodos científicos para la solución de problemas de esta magnitud en la minería. 4 �PARTE I. EL DESARROLLO DE LAS MINAS Y AVANCE DE LOS FRENTES DE TRABAJO. En la literatura especializada se recogen dos grandes grupos de modos de explotación: los clásicos o simples, y los geotecnológicos o especiales. Los modos clásicos o simples: son aquellos en que la separación de la mena del macizo se realiza por el método de perforación y voladura o el uso de máquinas de arranque como excavadoras, traíllas, combinadas, hidromonitores, entre otros. Contamos con: cielo abierto, subterráneo y combinados. Los modos de explotación especiales o geotecnológicos: lo constituyen aquellos trabajos mineros que utilizan procesos físico-químicos, biológicos, térmicos, y otros para extraer la mena de la corteza terrestre. Ejemplos: disolución subterránea, lixiviación subterránea, gasificación subterránea, explosiones nucleares, bacteriológicos, subacuáticos, extracción del calor de las rocas. En cada modo de explotación (con excepción de algunos geotecnológicos), aparecen en mayor o menor grado los llamados procesos productivos o tecnológicos, los que a su vez se dividen en: - principales - auxiliares La tecnología de laboreo de los yacimientos: está constituida por los métodos y equipamiento empleado para la apertura, preparación y extracción que facilitan el desarrollo y avance de la mina; mediante la interrelación de los procesos productivos principales y auxiliares. Estas tecnologías y mecanización de los trabajos mineros, poseen un carácter sistémico y complejo, se basan en los principios de continuidad, simultaneidad e interdependencia de los procesos, el aseguramiento de la mínima distancia de traslación de la masa minera, la disminución del número y volumen de los 5 �procesos auxiliares, el mínimo de gastos y el máximo de ingresos monetarios para el cumplimiento de los planes de producción. 6 �MODO DE EXPLOTACIÓN GEOTECNOLÓGICOS O ESPECIALES CLÁSICOS O SIMPLES Cielo Abierto Subterráneo Combinados Disolución subterránea, Lixiviación, Gasificación, Explosiones nucleares, Bacteriológicos, Subacuáticos, Extracción del calor de las rocas. PROCESOS PRODUCTIVOS PRINCIPALES AUXILIARES Montaje Carga, transporte, almacenamiento de la roca y el mineral, separación del mineral así como aquellos métodos aplicados para el y reparación de tuberías, transporte del personal, materiales, equipos, suministro de energía, ventilación, desagüe de la mina, trabajos geológicos, topográficos, el muestreo. control de la presión minera. TECNOLOGÍA DE EXPLOTACIÓN DE LOS YACIMIENTOS Apertura Preparación Extracción Figura 1. Procesos productivos y tecnológicos que forman parte de la actividad minera. 7 �I.1 - Algunos Conceptos básicos durante las etapas de explotación a Cielo Abierto y Subterráneo. Etapas de explotación minera 1) Búsqueda Geológica. 2) Exploración. 3) Construcción de la mina. 4) Explotación de la mina. 5) Cierre de mina. Las etapas anteriores se manifiestan en cualquier Modo de Explotación (cielo abierto y subterráneo, combinado). Lógicamente que cada modo pose su tecnología de explotación y sus procesos tecnológicos específicos. Modo de explotación: Es la forma específica en que se realiza la explotación planificada de un yacimiento y la forma en que se conciben y excavan los espacios mineros, su orden de arranque, la ubicación espacial de sus parámetros, la forma en que se realiza el arranque de la mina, la transportación, el control de la presión minera, la ventilación, así como la manera apropiada de mover las rocas de caja. Para explotar la mina, de forma general, se necesita realizar una serie de operaciones que incluyen: 1) Apertura 2) Preparación 3) Arranque – Separación (extracción) - Acarreo (carga - transporte) - Control de la Presión Minera Apertura: Conjunto de trabajos mineros subterráneos que permiten a través de ellos el acceso desde la superficie terrestre hasta el yacimiento para su 8 �explotación. Mediante de estos se realiza la entrada y salida del personal y la carga. Preparación: Son aquellas excavaciones que se realizan desde las excavaciones de apertura y dividen el yacimiento en escalones, niveles; bloques o paneles para su explotación. Dentro de la preparación se destacan las excavaciones de corte: Son aquellas que se realizan dentro de los límites del bloque ya preparado,lo que permite el arranque masivo del mineral. Arranque: Consiste en separar la mena del macizo a través de diferentes métodos. (Conjunto de operaciones que se realizan con el propósito de extraer el mineral de los bloques ya preparados). Aspectos generales sobre la explotación a cielo abierto. este modo de explotación el yacimiento o la parte que se explota se realiza por una mina a cielo abierto (cantera o campo de minas) este no es más que una figura geométrica volumétrica caracterizada por las dimensiones en el plano y la profundidad, forma parte de la zona de la cantera que incluye además las rocas estériles extraídas, las plazoletas industriales y otras instalaciones productivas. La explotación de las rocas en la cantera se realiza por capas, con adelanto en el plano de las superiores, habitualmente son horizontales aunque pueden ser inclinadas o abruptas. En caso general el concepto de capa es más amplio que el de banco - parte separada de explotación de una capa de rocas que se presenta en forma de escalón. En la mayoría de los casos la capa y el escalón poseen la misma altura y dimensiones en el plano, excepto las capas abruptas. Cuando las capas horizontales alcanzan gran altura (50 - 100 m) se pueden explotar con escalones inclinados. Cada banco o escalón se caracteriza por una cota de altura que corresponde al horizonte donde se ubican las vías de comunicación. Estas cotas pueden ser absolutas (respecto al nivel del mar) o relativas (respecto a un punto fijo de la 9 �superficie). Los escalones horizontales poseen cota constante, los inclinados poseen cota variable. Las superficies horizontales o inclinadas que limitan al escalón por su altura se denominan plazoletas superior e inferior. La superficie inclinada que limita al escalón con el espacio laboreado se denomina paramento del escalón, el ángulo formado por el paramento con la línea horizontal se denomina talud del escalón y las líneas que unen al paramento con las plazoletas de trabajo se denominan bordes o aristas superior e inferior. Existen escalones activos o de trabajo e inactivos; en los primeros se realiza la extracción del mineral o estéril. Si en las plazoletas se ubican los equipos de trabajo necesarios para la explotación entonces ellas se denominan plazoletas de trabajo. Los escalones se dividen en subescalones, los cuales pueden explotarse con diferentes equipos de excavación o el mismo equipo simultánea o intermitentemente, pero poseen vías de comunicación comunes para ambos. Figura No. 2. Elementos de una terraza o escalón: 1, plazoleta superior; 2, arista superior; 3, paramento; 4, plazoleta inferior; 5, arista inferior; α, talud del escalón. La parte longitudinal del escalón preparada para la explotación se denomina frente de trabajo del escalón, éste puede ser recto o curvilíneo y su longitud puede o no variar. La preparación del frente consiste fundamentalmente en las 10 �vías de comunicación y la línea eléctrica para garantizar el trabajo de los equipos. Como resultado de la explotación de las rocas ocurre el desplazamiento de los escalones, en las canteras se explotan varios y se van creando nuevos en la parte más profunda. Las superficies laterales escalonadas formadas por los paramentos y las plazoletas se denominan bordos de la cantera. Bordo de la cantera. Figura No. 3.Bordos de la cantera. El bordo formado por los escalones de trabajo se denomina bordo activo o de trabajo, cuando los escalones van alcanzando su posición final en el espacio se forma el bordo final o inactivo. La línea que limita la cantera con la superficie terrestre se denomina contorno superior, y la que limita la cantera por el fondo contorno inferior. En el momento de culminación de los trabajos mineros a cielo abierto la cantera alcanza la profundidad final, y las dimensiones finales en el plano. Los paramentos de los escalones en los bordos inactivos, donde no se realizan labores, se dividen por bermas de transporte o de seguridad. El conjunto de escalones que se explotan simultáneamente se denomina zona de 11 �trabajo de la cantera. Entre los elementos de las canteras también tenemos las trincheras, y semitrincheras. Figura No. 4a. Esquema de explotación y elementos de una mina a cielo abierto. 1, excavadora; 2, camión volcador; 3, bulldozer; 4, tren de perforación; 5, niveles de explotación 6, escombros de voladuras; 7, cuerpo mineralizado; 8, perforaciones; 9, trinchera de entrada en el 40 nivel; 10, rampa de entrada en el nivel; 11, escombrera. Figura 4b. 1, Plazoleta superior; 2, plazoleta inferior; 3, paramento o escarpa; 4,bordos; 5, contorno final. 12 �Los parámetros fundamentales de las canteras son: 1 - Profundidad final (H) - durante la explotación de cuerpos minerales inclinados o abruptos determina la potencia productiva y las dimensiones por la superficie. En los yacimientos horizontales y de pequeña inclinación es prácticamente constante durante toda la explotación; 2 - Dimensiones por la superficie, largo y ancho, determinadas por las dimensiones del cuerpo mineral, el fondo de la cantera, la profundidad y los ángulos de los bordos; 3 - Dimensiones del fondo - las determinan los contornos del cuerpo explotado en la cota final. Los valores mínimos se determinan por las condiciones de seguridad en la extracción; 4 - Ángulos de los bordos de la cantera - se determinan por la estabilidad de las rocas y la ubicación de las vías de comunicación, se toman lo más abrupto posible para disminuir el volumen de destape; tan φ a = Σh , Σ A pt + Σ(hx cot α ) Donde: h - altura del escalón; A pt - ancho de la plazoleta de trabajo; α - talud del escalón; φ a - ángulo del bordo activo. tan φ i = Σh Σ b s + Σ b s + Σ(h cot α ) Donde: b s - b t - ancho de las bermas de seguridad y transporte respectivamente. 13 �5 - Volumen total de masa minera dentro de los contornos de la cantera. Es un índice básico que determina la potencia productiva de la empresa, plazo de trabajo y otros. En relieve llano se determina por la siguiente fórmula: V = Sf xHf + Pf π 2 3 x ( H f ) x cot β + x(Hf ) x cot 2 β 2 3 Donde: S f - área del fondo de la cantera; H f - profundidad final de la cantera; P f - perímetro del fondo de la cantera; β - ángulo promedio de los bordos; 6 - Reservas de mineral dentro de los contornos - índice básico para determinar la posible magnitud de la extracción. Aspectos generales sobre la explotación subterránea. Mediante la explotación minera subterránea se extraen los minerales útiles que no pueden ser extraídos desde la superficie, es decir, por medio de una mina a cielo abierto. Esto se efectúa a través de excavaciones mineras subterráneas las que se diferencian entre sí por variados aspectos tales como: por su posición en el espacio las que pueden ser verticales, horizontales e inclinadas, esta clasificación puede verse en la figura No. 69, se clasifican también según su destino como excavaciones subterráneas de carga, transporte, ventilación, entre otras. Por su forma en circulares, rectangulares, trapezoidales, paredes rectas y techo abovedado, elíptica. Además de estas excavaciones en la minería subterránea se emplean también las excavaciones denominadas estaciones o cámaras y los realces. 14 �Las estaciones o cámaras son excavaciones sin salida directa a la superficie y se emplean con diversos fines relacionados con la explotación del yacimiento, en estas se ubican estaciones de bombeo, depósitos de locomotoras, almacenes. Los realces se forman durante el proceso de extracción del mineral, se laborea el yacimiento de abajo hacia arriba. La piquera es una excavación sin salida directa a la superficie usada para el descenso del mineral o las rocas estériles por gravedad. La escalera es una excavación que carece de salida directa a la superficie, destinada para el transito del personal, generalmente se construyen paralelas a las galerías inclinadas. El horno es una excavación subterránea que no tiene salida directa a la superficie, se construye con la misma inclinación que la capa mineral y está destinada al transporte de cargas, al tránsito del personal y la ventilación, se utiliza mucho en el laboreo de los yacimientos de carbón. 15 �Figura No.69. Excavaciones mineras subterráneas Excavaciones subterráneas Horizontales Verticales Pozos de sondeo: se destina a la exploración del yacimiento o para colocar cargas de sustancia explosiva Excavación Socavón Pozo Una excavación vertical subterránea con salida directa a la superficie, destinados a distintos tipos de trabajo Pozo principal: destinado a los trabajos de explotación del yacimiento (ascenso del mineral, ascenso y descenso de equipos, herramientas, materiales y personal.) con salida a la superficie destinada a las labores Con salida directa de explotación del yacimiento (transporte de superficie, las rocas y mineral, entrada de equipos, realiza personal). mineral a la superficie, el la por al a ella subida se del Pozo inclinado equipos, los materiales y el No posee salida directa a la superficie, une el pozo con el yacimiento. Galería transversal personal, el desagüe y la ventilación Se emplea para el transporte de carga y del personal y para la ventilación. No tiene salida directa a la superficie y está destinada Pozo auxiliar: destinados a realizar distintos trabajos (desagüe, ventilación) al ascenso y descenso del No tiene salida directa a la superficie y para Galería principal Contrapozo horizontal ascenso y descenso de los mina Pozo ciego subterránea Inclinadas Una excavación vertical subterránea que no tiene salida directa a la superficie, Una excavación vertical o inclinada sin salida directa a la superficie, que sirve para comunicar un nivel con otro dentro de la mina de o a través de toda la longitud del yacimiento. Puede ser de ventilación de tranasporte y de arranque mineral con ayuda de dispositivos mecánicos. Galería inclinada Cuando se utiliza párale ascenso del mineral se llama rampa y cuando se utiliza para el descenso del Crucero Es una excavación subterránea sin salida mineral se denomina directa a la superficie y se construye pendiente transversalmente a través del yacimiento y sirve esencialmente para la exploración y la organizaron del transporte. 16 �El dimensionamiento y división del campo de mina para la explotación subterránea se realiza a partir de una serie de parámetros que a continuación se enuncian: Para el dimensionaminto del campo de minas se consideran: 1) Largo (L) 2) Ancho(A) yacimientos horizontales o poco inclinados. 3) Longitud por el rumbo (L) 4) Número de niveles (N) Para lo que se deben conocer de antemano los siguientes aspectos. • La producción anual de la mina. • El esquema de apertura. • La altura del nivel ó el ancho del panel. La determinación de estos parámetros se realiza con el empleo de diferentes métodos, el más usado es el de comparación de variantes que determinar valores arbitrarios del campo de mina con diversas consiste en variantes; se analizan para cada una, las inversiones hasta el final y los gastos de extracción con la tonelada de mineral extraído. Lógicamente se escogerá la que menores gastos ofrezca. Si por el contrario la diferencia entre las variantes no excede al 10 %, entonces se trabajará en la que brinde mayores ventajas técnicas. Para la división del campo de mina: Para su extracción el Campo de Mina se divide generalmente en: a) Niveles, subniveles y bloques - Yacimientos abruptos o inclinados. b) Paneles y pilares de explotación - Yacimiento horizontal o poco inclinado. Para Yacimientos abruptos o inclinados. El Nivel: es la parte del campo de mina en un yacimiento abrupto o inclinado que limita por el rumbo con los propios límites del campo de mina y por el buzamiento con las galerías de transporte y la de Ventilación). 17 �Bloque: Parte del nivel que limita por el rumbo con los contrapozos límites o con los límites del minado antiguo y por el buzamiento con la galería de transporte y la galería de ventilación h n = hb Para Yacimiento horizontal o poco inclinado. Los Paneles: Grandes partes del campo de mina de un yacimiento total o parcial. Inclinado que por lo general tiene forma rectangular y está limitado por las galerías de panel y las galerías maestras y muchas veces (la mayoría) algunos de sus límites coinciden con los límites del campo de mina y poseen la inclinación del cuerpo mineral Pilar de explotación Parte del panel limitado por la galería de panel y la galería de explotación (a veces los límites geológicos del yacimiento). Como la explotación generalmente se laborea en paralelo, estos sectores tienen forma rectangular La altura del nivel h nivel se calcula por. A.T pW .(1 −P) h= Sγ .η Donde: A- producción anual de la mina. T p - duración de los trabajos de apertura. 18 �I. 2.- Principales períodos de trabajo en la minería a cielo abierto. En caso general el trabajo en las minas a cielo abierto se caracteriza por tres períodos fundamentales: I - Construcción de la mina y aumento paulatino de la productividad mineral hasta alcanzar la nominal. II - Trabajo con productividad relativamente estable (mineral y estéril). III - Extinción de los trabajos mineros. La extracción de los minerales útiles del subsuelo se realiza como se ha dicho, a través de dos modos - A Cielo Abierto y Subterráneo, y del fondo del mar por el método submarino. La mayor difusión la obtuvo el primer modo, a través del cual se extrae el 75 % de todas las menas, alrededor del 100 % de los materiales de construcción y no metálicos. La explotación a cielo abierto se realiza directamente en la superficie de la tierra e incluye dos tipos de trabajo – Destape y Extracción –. El primero tiene como objetivo asegurar el acceso al mineral útil y crear las condiciones para su extracción, consiste en el traslado del material estéril que rodea al mineral útil. Como resultado de la ejecución de los trabajos de destape y extracción se forma la mina a cielo abierto (cantera), que no es más que el conjunto de excavaciones mineras a cielo abierto. El destape y la extracción se pueden ejecutar simultáneamente o no pero debe existir cierto desfasaje entre ellos en tiempo y espacio. Por tecnología de explotación se considera al conjunto de métodos y medios empleados para la apertura, preparación y extracción, que facilitan el desarrollo y avance de la mina, mediante la interrelación de los procesos productivos principal y auxiliar. Para la explotación a cielo abierto la tecnología de explotación contempla; la apertura, el destape, la extracción; para la explotación subterránea incluye la apertura, preparación y los sistemas de explotación. Los procesos mineros a cielo abierto consisten en la excavación, traslación, y 19 �almacenamiento de los minerales útiles y el material de destape. Los procesos básicos son: - Preparación de las rocas para la excavación - Excavación - carga de las rocas - Transportación - Almacenamiento de la masa minera - Formación de escombreras - Preparación mecánica del mineral. A cada proceso tecnológico básico le corresponden procesos auxiliares que permiten o facilitan su ejecución, entre ellos tenemos el abastecimiento eléctrico, ventilación, drenaje, reparación de los equipos, control de la calidad de las menas extraídas. Ventajas y desventajas comparativas de los trabajos mineros a cielo abierto respecto al subterráneo. - Mayor seguridad del trabajo y mejores condiciones productivas - Mejores índices económicos. La productividad del trabajo es superior en 3 - 7 veces - Mayor ritmo de crecimiento de la productividad del trabajo - Menores plazos de construcción que conllevan a menores gastos específicos capitales - Facilita la extracción selectiva, menor pérdida y empobrecimiento Desventajas. - Cierta dependencia de las condiciones climáticas - Se necesitan grandes áreas para las escombreras - Grandes gastos capitales en cortos plazos de tiempo - Afectación al medio Las condiciones de utilización del método a cielo abierto son variadas, se pueden explotar yacimientos de cualquier forma de yacencia, con cualquier fortaleza de las rocas y volumen de estéril entre 10 - 15 metros cúbicos por tonelada de mena útil. 20 �Condiciones de utilización de los trabajos a cielo abierto. Los yacimientos minerales laboreados a cielo abierto, se distinguen por diferentes condiciones naturales y de yacencia, entre las cuales tenemos: Número y potencia de cada cuerpo Angulo de caída Potencia de las rocas de recubrimiento Factores topográficos Índices cualitativos y cuantitativos del yacimiento Propiedades físico mecánicas de las rocas de recubrimiento, encajantes y del yacimiento mineral Estos factores y también el valor de la materia prima mineral, la hidrogeología y el clima de la región, la presencia en ella de recursos laborales y materiales, de vías de transporte y otras, influyen sobre la elección del método de laboreo del yacimiento, de los medios técnicos y el orden de realización de los trabajos. Los tipos de yacimientos minerales se diferencian por las siguientes características. Forma. (Figura No. 5) Relieve de la superficie. (Figura No. 6) Posición del cuerpo con relación a la superficie. (Figura No. 7) Angulo de caída del cuerpo. (Figura No. 8) Potencia del cuerpo. (Figura No. 9) Estructura del cuerpo. (Figura No. 10) 21 �Isométricos - se desarrollan casi igual en todas las direcciones. Corte vertical Vista en planta En forma de capas.- Desarrollados en dos direcciones con potencias pequeñas. 22 �Tubulares. (columnares )- Se desarrollan en una sola dirección. Intermedios. – Están entre las formas señaladas anteriormente (lentes, vetas, filones). Figura No. 5. Clasificación de los de yacimientos minerales Por su forma. 23 �Llano De laderas. Elevado Ondulados Subacuáticos Figura No. 6. Clasificación de los de yacimientos minerales por el relieve de la superficie. 24 �Superficiales. Ubicados directamente en la superficie o cubierto por aluviones con potencias hasta 20 –30 metros Profundos.- Las rocas de recubrimiento varían desde 30 hasta 250 metros y más 30 hasta 250 metros 25 �Elevados.- Ubicados en una elevación Elevados y profundos.- Ubicados por encima y por debajo del nivel predominante de la superficie terrestre Figura No. 7. Clasificación de los de yacimientos minerales respecto a la superficie terrestre. por la posición 26 �Horizontales y poco inclinados. Hasta 00-250 grados Inclinados.-Desde 200 – 250 hasta 450 - 600 Abruptos.- con ángulos mayores de 450 27 �De yacencia compleja.- La dirección de caída es variable, característica de los plegamientos y rupturas geológicas Figura No. 8. Clasificación de los de yacimientos minerales por el ángulo de caída del cuerpo mineral. 28 �Potencia horizontal (m) Potencia vertical (m) Horizontales Inclinados y abruptos Muy poco potentes 2-3 20 – 40 Poco potentes 4 - 20 20 - 40 Potencia media 15 – 40 50 – 120 Potentes 20 – 40 80 - 150 Denominación Potencia horizontal Potencia verdadera Potencia vertical Figura No. 9. Clasificación de los de yacimientos minerales por la potencia del cuerpo. 29 �Simples.- Estructura homogénea sin intercalación Dispersos.- De estructura compleja sin una ley de distribución de las clases de mineral, condicionado y no condicionado Figura No. 10. Clasificación de los de yacimientos minerales Estructura del cuerpo mineral. 30 �I.3.- Esencia de los trabajos a cielo abierto Los trabajos a cielo abierto se realizan desde la superficie de la corteza terrestre con el objetivo de realizar la extracción de diferentes minerales. Al conjunto de las diferentes excavaciones mineras que se forman durante este trabajo se le denomina mina a cielo abierto (cantera) • Cuando se laborean cuerpos horizontales o poco inclinados se alejan solo las rocas que los recubren; las rocas del costado yaciente (piso) no se extraen. Figura No. 11 Figura No. 11. Laboreo de cuerpos horizontales o poco inclinados. • Al laborear cuerpos inclinados y abruptos, además de las rocas de recubrimiento es necesario alejar parte de las rocas encajantes para crear los accesos del trasporte a las distintas partes del cuerpo en profundidad y alcanzar la estabilidad del macizo de las rocas encajantes después de la extracción del mineral. Para 31 �estos fines el ángulo del talud del macizo de roca no debe pasar de 25o-35o. Cuando se laborean yacimientos inclinados, las rocas de recubrimiento se alejan solo del lado colgante del cuerpo. Figura No.12 y 13. Al laborear abruptos es necesario alejar las rocas del lado colgante y yacente. Figura No.12 y 13. Laboreo de cuerpos inclinados y abruptos El alejamiento de grandes masas de rocas de recubrimiento y encajantes es la particularidad fundamental de las explotaciones a cielo abierto. Como regla, los volúmenes anuales de rocas desplazadas sobrepasan considerablemente los volúmenes de minerales extraídos. 32 �Los gastos fundamentales en laboreo a cielo abierto corresponden al desplazamiento de las rocas que recubren o encajan el cuerpo. Por eso al laborear cuerpos horizontales y poco inclinados, se tiende a desplazar las rocas de cubierta por la distancia más corta al espacio laboreado con anterioridad. Al laborear cuerpos inclinados y abruptos, excepcionalmente, las rocas de destape se pueden ubicar en el espacio laboreado, si no, que normalmente se transportan fuera de los límites de la cantera. La seguridad en la realización de los trabajos a cielo abierto se alcanza observando las reglas de las técnicas de seguridad por los trabajadores, y realizando las labores espaciales para la eliminación de las aguas superficiales y subterráneas, el sostenimiento de los paramentos de los escalones, proclives al deslizamiento y los derrumbes y otras. En las canteras, a causas de la realización de los diferentes procesos productivos, el polvo y los gases en la atmósfera con frecuencia alcanzan niveles que sobrepasan las normas admisibles, por lo que es necesario ventilar los frentes de trabajo, deprimir el polvo y otras actividades que aseguran las condiciones higiénico-sanitarias de trabajo. I.4.- Condiciones geológicas de los trabajos mineros. A través de este método se explotan yacimientos de variadas formas como hemos visto y en disímiles condiciones naturales. Las condiciones de yacencia del yacimiento influyen en la elección de la tecnología y la mecanización de los trabajos mineros. Las condiciones hidrogeológicas influyen significativamente sobre la ejecución de los trabajos mineros a cielo abierto, cuando se cortan los horizontes acuíferos es necesario instalar estructuras especiales de drenaje, si el flujo de agua es muy grande (hasta 10 m3 y más por tonelada de mena extraída) se deben tomar medidas especiales para la fortificación de los paramentos. El nivel de inundación de las minas a cielo abierto y las minas subterráneas se caracteriza por un coeficiente que muestra la cantidad de agua bombeada por cada tonelada de mineral extraído. 33 �Extracción La extracción de los minerales y rocas encajantes se realiza por capas, con un adelanto de las superiores sobre las inferiores, como resultado de lo cual el macizo de rocas laboreado toma la forma de bancos o escalones y en la corteza terrestre se forma un espacio laboreado. Las dimensiones del espacio laboreado al laborear cuerpos horizontales aumentan en el plano (figura No 14 ). I II III I II III Figura No .14. Avance de los trabajos de arranque (espacio laboreado) al laborear cuerpos horizontales Y al laborear cuerpos inclinados y abruptos aumenta al unísono en el plano y en profundidad (Figura No. 15 ) 34 �III II I II III II III Figura No. 15. Avance de los trabajos de arranque (espacio laboreado) al laborear cuerpos inclinados. Figura No. 16. Avance de los trabajos de arranque (espacio laboreado) al laborear cuerpos abruptos. 35 �Cada banco (escalón) se caracteriza por la cota del horizonte de ubicación de las vías de transporte, las cotas de los escalones pueden ser absolutas (relativas al nivel del mar) o convencionales. Las superficies que limitan el banco en altura, se llama plazoleta inferior y superior. La superficie inclinada que limita el banco del lado del espacio laboreado, se llama paramento del escalón y el ángulo de esa superficie se denomina ángulo del paramento o talud del escalón. Las líneas de intersección del paramento con las plazoletas superior e inferior se llaman arista superior e inferior del escalón. Ver Figura No 2 y No. 4. Se diferencian los bancos y bordes de las canteras activos e inactivos. En los escalones activos se realiza la extracción de las rocas, y la plazoleta inferior de este escalón se denomina plazoleta de trabajo. Aquí, por lo regular se ubica el equipamiento de extracción y las vías de transporte para el laboreo del escalón. Según las condiciones de la tecnología de extracción los bancos pueden dividirse en sub-bancos, cuyo laboreo se realiza por los mismos o diferentes equipos de extracción, sucesivamente o al unísono, pero con vías de transporte única para el escalón. 36 �Hs H Hs I II Figura No. 17. División de los bancos según las condiciones de la tecnología de extracción. La parte del banco preparado para el laboreo según su longitud se llama frente de trabajo del banco. En el plano puede ser lineal o curvo. La superficie de las rocas en los límites del banco o montón donde se realiza la extracción se llama frente. Un yacimiento o una parte de este laboreado por una cantera se denomina campo de cantera. Ver figura No. 4 El campo de cantera forma parte de la parcela de terreno de la cantera que además corresponde las escombreras exteriores, la plazoleta industrial y otras construcciones productivas. Las superficies laterales escalonadas formadas por los paramentos y las plazoletas de los escalones que limitan el espacio laboreado se llaman bordes de la cantera. 37 �Figura No. 18. Bordes de cantera. El borde representado por los escalones activos se llama borde de trabajo (laboral) de la cantera. La línea que limita la cantera al nivel de la superficie terrestre es el contorno superior de la cantera y la línea que limita el fondo o piso de la cantera es su contorno inferior. La posición del borde laboral y los contornos superior e inferior varían en el espacio. Gradualmente los escalones, comenzando desde arriba, alcanzan los contornos finales (limites de la cantera). En el momento de terminación de los trabajos a cielo abierto estos corresponden a la profundidad final y dimensiones finales en el plano. 38 �Figura No. 19. Profundidad y dimensiones finales en el plano de la mina a cielo abierto. En los bordes inactivos de las canteras no se realizan trabajos mineros y los paramentos de los escalones se dividen por plazoletas (bermas). Se diferencian las bermas de transporte, de seguridad y de limpieza. Figura No. 20. Escalones o plazoletas de trabajo y bermas. 39 �El ángulo entre la línea perpendicular a la dirección del borde y que une los contornos superior e inferior y la horizontal, se llama ángulo del paramento de los bordes laboral o inactivo de la cantera. Su magnitud depende del estado del macizo, de la altura de los bancos y del ancho de las plazoletas. El ángulo del borde laboral de la cantera varía normalmente entre los 7o y 17o (a veces llega hasta los 27o) y el del borde inactivo alcanzo hasta 25o - 35o. γ Figura No. 21. Angulo del paramento de los bordes laboral o inactivo de la mina a cielo abierto. Al conjunto de bancos que se encuentran en laboreo simultáneamente se le denomina zona laboral de la cantera. Su ubicación se determina por la cota de las plazoletas inferiores de los bancos superior e inferior que en el momento dado se encuentran trabajando. La longitud del frente de los trabajos mineros de la cantera es la longitud sumaria de los frentes de trabajos de todos los bancos laterales. Para introducir en el trabajo un nuevo banco en necesario crear un nuevo acceso hacia él del transporte y un frente inicial con la correspondiente plazoleta de trabajo. Para ubicar las vías de transporte, por las que se desplazará la masa minara hacia la superficie o los escalones superiores es necesario aperturar el banco (cortar el horizonte) es decir, realizar desde la superficie o desde el banco superior excavaciones mineras espaciales (de apertura). 40 �Estas excavaciones se unen por diferentes cotas y para eso tienen una determinada pendiente. Las excavaciones de apertura normalmente tienen una sección transversal aproximadamente trapezoidal o triangular y se llaman correspondientemente trinchera o semitrinchera maestra. Al laboreo de estas trincheras y semitrincheras se le denomina apertura del escalón (banco.) 100 70 40 Figura No. 22. Trincheras de apertura Para crear el frente de trabajo inicial en el escalón aperturado es necesario realizar, desde la excavación de apertura, una excavación minara horizontal (a veces con una pendiente no grande para evacuar el agua) que se denomina trinchera o semitrinchera de corte. Figura No. 23. Trincheras de corte. 41 �Todos los trabajos mineros en la cantera se componen de trabajos preparatorios (construcción de trincheras), trabajos de destape (arranque, traslación y ubicación de las rocas de destape) y los trabajos de extracción (arranque, transportación y almacenamiento del mineral útil). Estos trabajos es necesario realizarlos en determinado orden, observando entre ellos los elementos y parámetros de las excavaciones mineras en que se realizan, determinadas relaciones y dependencias que permitan según las condiciones técnicas asegurar en cada momento el frente de los trabajos mineros necesario, en los bancos de destape y de extracción, la productividad y la seguridad del trabajo del equipamiento utilizado. El orden de realización de los trabajos preparatorios, de destape y de extracción tomado, que asegura para un yacimiento dado la extracción segura, económica y total de las reservas balanceadas, se llama sistema de laboreo (sistema de explotación). Al laborean los yacimientos minerales los rocas de destape se ubican bien en el espacio laboreado de la cantera, o bien en plazoletas elegidas especialmente para ello fuera de los limites del campo de cantera. Al montón de rocas estériles o de mineral no condicionado se le llama escombrera, Las escombreras, ubicadas en el espacio laboreado de la cantera se llaman interiores, fuera de sus contornos exteriores. I.5.- Conceptos sobre los coeficientes de destape. Un importante índice de la efectividad de los trabajos mineros a cielo abierto es la relación de los volúmenes de rocas de destape y de mineral extraídos en determinadas escalas en diferentes etapas de la actividad de la cantera. La cantidad de rocas de destape en metros cúbicos o toneladas por metro cúbico o tonelada de mineral se llama coeficiente destape (k). Se diferencian el coeficiente en volumen y el coeficiente en peso, en dependencia de si las rocas de destape y mineral se miden en m3 o en toneladas. A veces el 42 �coeficiente de destape se mide por la relacione entre el volumen de las rocas de destape y una tonelada de mineral (m3/t). Para convertir los coeficientes de destape de unas dimensiones a otras se utilizan las formulas:  m3  1  m3  γ´ t   = k   k  3  = k  γ t  γ t m  Donde γ - densidad media del mineral, t/m3. γ´- densidad media de los rocas de destape, t/m3 En dependencia de la forma de determinar la relación de los volúmenes de las rocas de destape y del mineral se diferencian los coeficientes de destape: Medio De explotación De capa De contorno Corriente Limite De planificación. 43 �Coeficiente medio de destape Km (m3/m3). Es la relación entre el volumen de las rocas de destape en los contornos finales de la cantera V R.D y el volumen de mineral en estos mismos contornos V m. VRD Km= VRD Vm Vm Figura No. 24. Coeficiente medio de destape Coeficiente de destape de explotación, Ke (m3/m3). Expresa la relación entre los volúmenes de destape y de extracción en el periodo de explotación de la cantera. n Ke = VRD − ∑Vdconst i =1 n Vm − ∑VmConst i =1 Donde V dconst – Volúmenes de destape en el periodo de construcción de la cantera. V mConst –Volúmenes de mineral extraído en el periodo de construcción de la cantera. 44 �Cuando la potencia de las rocas de cubierta no es considerable y las reservas de mineral son grandes el valor de Ke no se diferencia sustancialmente de Km. Coeficiente de destape de capa, Kc(m3/m3). Vc Vcm Vc Se determina dividiendo el volumen de las rocas de destape Vc en las limites de una capa de la cantera entre el volumen de mineral Vcm en una misma capa. Figura No. 25. destape de capa Kc= Coeficiente de Vc Vcm Normalmente la altura de la capa se toma igual a la altura del banco. Coeficiente de destape de contorno, Kco (m3/m3). Expresa la relación entre el volumen de las rocas de ΔVR destape ΔV R y el volumen de mineral ΔV m extraído de la cantera al ensanchar ΔVm sus contornos. Figura No. 26. Coeficiente de destape de contorno. Kco= ∆V R ∆Vm 45 �Coeficiente de destape corriente, Kco R (m3/m3). Expresa la relación entre el volumen de las rocas trasladadas escombrera de de destape Vco R la cantera a en un VmCOR la VCOR periodo determinado de tiempo y el volumen de mineral realmente extraído en este mismo periodo de tiempo Vmco R. Kco R= VCOR VmCOR Figura No. 27. Coeficiente de destape corriente Coeficiente de destape limite, K l (m3/m3). Es un índice económico de cálculo que expresa el máximo volumen de rocas de destape trasladado de la cantera a la escombrera, permisible de acuerdo con las condiciones de rentabilidad a cielo abierto, por unidad de mineral. Kl= CM − CP CD C M Costo permisible del mineral en el yacimiento dado, pesos/m3 C P Gastos en los trabajo de extracción. Pesos/m3 . C D Gastos en las trabajos de destape, pesos/m3. El coeficiente de destape limite sirve para establecer los limites de los trabajos a cielo abierto tanto en el plano como en profundidad. Coeficiente de destape de planificación, kp (m3/m3) 46 �Kp = CPL − CCM CCR Cpl - Costo de producción del mineral planificado, peso/m3 Ccm - Costo corriente de 1 m3 de mineral, pesos; Ccr - costo corriente de 1 m3 de trabajo de destape, pesos; Este coeficiente se utiliza para determinar el costo de producción del mineral, cuando se amortizan los gastos en el trabajo de destape en el proceso corriente de producción en los trabajos a cielo abierto. Parámetros principales de las canteras Los parámetros principales de una cantera que caracterizan la escala de los trabajos a cielo abierto en uno u otro yacimiento son: 1. Profundidad final. 2. Dimisiones de la cantera según el rumbo y perpendicular al rumbo del cuerpo por la superficie. La longitud puede variar desde ciento de metros hasta varios kilómetros y el ancho en dependencia del tipo de yacimiento puede alcanzar también varios kilómetros. 3. Dimensiones del fondo de la cantera 4. Ángulos de los bordes de la cantera. 5. Volumen total de masa minera en los contornos de la cantera. 6. Reservas de mineral en el campo de cantera. I.6.- Procesos productivos en los trabajos a cielo abierto Los trabajos mineros en las canteras se reducen a la extracción, traslación y almacenamiento de los minerales y rocas de destape. Correspondientemente se diferencian los procesos tecnológicos (preparación de las rocas para la extracción, trabajos de excavación–carga, transportación de la masa minera, almacenamiento de las rocas estériles (formación de escombreras y la descarga y o almacenamiento del mineral). Si en la cantera se realiza el enriquecimiento primario o elaboración del mineral hasta el producto final, estos entran también entre los procesos principales. 47 �A cada proceso básico corresponden trabajos auxiliares cuya realización asegura la realización del proceso básico o lo facilita. Junto con esto, en las canteras se realizan una serie de procesos auxiliares generales (Suministro de electricidad, ventilación, desagüe, muestreo de mineral, reparación del equipamiento y otros) que aseguran la realización de los trabajos mineros. Los métodos básicos de mecanización de los procesos productivos son: 1. Mecánicos 2. Hidráulico 3. Combinado En el método de excavación los procesos productivos básicos se realizan con diferentes medios mecánicos (excavadoras, diferentes tipos de transporte mecánico y otros); y en el hidráulico con el agua y equipamiento especial. El método de excavación es el más universal y con el se realiza hasta el 95% del volumen de los trabajos mineros a cielo abierto. El método hidráulico se utiliza principalmente para el laboreo de rocas de fácil lavado y transportación con agua, en presencia de fuentes de agua y energía eléctrica bastante barata. Tipos y periodos de los trabajos mineros a cielo abierto. En dependencia del tiempo de realización los trabajos mineros a cielo abierto se subdividen en los siguientes períodos. - Preparatorio - Construcción - Explotación - Liquidación En el período preparatorio se realizan los trabajos de preparación de la superficie (desvió de corrientes de agua, tala de bosques) y del macizo (desecación y limitación de los flujos permanentes de aguas subterráneas) para los trabajos mineros. En este mismo período se realizan los trabajos de alejamiento y 48 �almacenamiento de la capa vegetal con el fin de su utilización posterior, se construyen caminos, se construyen plazoletas para el montaje de equipos. La preparación de la superficie, la desecación, el alejamiento y almacenamiento de la capa vegetal y otros trabajos se realizan también, como regla, en el período de explotación. Al período inversionista o de construcción capital corresponden los trabajos iniciales para el alejamiento de las rocas de cubierta y encajantes para asegurar el acceso al mineral y realizar sistemáticamente los trabajos de destape y extracción. En este período se construyen las trincheras maestras y de corte y se crea un frente estable de los trabajos de destape y extracción. Estos trabajos se realizan también en el período de explotación. En la práctica la capacidad de producción proyectada se alcanza poco a poco, por lo que los trabajos de construcción capital se realizan al unísono con la explotación. La base del período de explotación son los trabajos de destape y extracción. El período de liquidación de los trabajos mineros, está relacionado, como regla, con la culminación de los trabajos en los bancos de destape y extracción, por la terminación de las reservas, el desmontaje de equipos, las vías de trasnporte. 49 �PARTE II. APERTURA PREPARACIÓN Y EXPLOTACIÓN DE LOS CAMPOS DE MINAS Y NUEVOS HORIZONTES A CIELO ABIERTO. II.1.- Clasificación de los sistemas de apertura en las minas a cielo abierto. Los trabajos mineros se dividen en dos grupos por su participación en la formación de la cantera o mina a cielo abierto: - Laboreo de las excavaciones mineras y construcciones e instalaciones para garantizar el enlace del transporte en la mina, estos son los trabajos relacionados con la apertura del yacimiento. - Realización del destape y la extracción, estos son los trabajos mineros relacionados con los sistemas de explotación. La definición dada demuestra que la tarea general de la apertura del yacimiento que consiste en una serie de tareas particulares - apertura y preparación de horizontes separados -. Por ejemplo trincheras de entrada que realizan la apertura a cada escalón en conjunto forman el sistema de trincheras, que representan el método de apertura del yacimiento por trincheras. Al analizar el primer aspecto se puede decir que para la apertura de los yacimientos se construyen trincheras o semitrincheras y bermas de transporte en los horizontes. El método de apertura de los horizontes de trabajo se caracteriza por la forma de las excavaciones de apertura. La apertura de los yacimientos horizontales y poco profundos termina cuando la cantera entra en la explotación con la potencia de producción completa. En los yacimientos inclinados y abruptos es característica la entrada permanente en explotación de nuevos horizontes en profundidad, por lo que la apertura, a medida que se laborea el yacimiento, se hace más compleja. Los factores básicos que influyen sobre los índices técnicos económicos de la apertura son: 50 �• Numero y volumen de las excavaciones de apertura y los gastos para su construcción, • Tiempo de apertura de los horizontes y plazo de construcción total de la cantera. • Distancia de transportación y gastos para este proceso productivo. La apertura de los yacimientos debe asegurar el normal funcionamiento de los flujos de cargas previstos en la cantera. Al proyecta la apertura es necesario considerar que la máxima cantidad de masa minera se transporta por las trincheras y caminos principales. El tramo de vía que tiene la traza más compleja y el peor perfil, se denomina tramo limitante. Según el tramo limitante se realizan los cálculos básicos del transporte. En el nivel actual de desarrollo de las empresas mineras de extracción, la apertura del campo de cantera puede realizarse de las formas siguientes: - Con excavaciones mineras a cielo abierto (trincheras y semitrincheras, presas, canales) - Con excavaciones mineras subterráneas (socavones, pozos) - Con la combinación de las excavaciones mencionadas. La mayor difusión en la actualidad la ha obtenido el método de apertura con trincheras. Los demás métodos tienen una utilización limitada, relacionada con condiciones minero-geológicas específicas, por ejemplo: la combinación de piqueras y socavones para la explotación de yacimientos en las laderas de las montañas y cuando la cantera está situada por encima de las cotas que prevalecen en la superficie; la apertura con presas y canales se utiliza durante la explotación de placeres. II.2.- Elementos y parámetros de las trincheras. En la Figura No.28, se muestra una trinchera de apertura, es una excavación minera inclinada que sirve para la ubicación en ella de las vías de comunicación y se transporte por ellas el mineral útil y las rocas de destape. 51 �Las trincheras se caracterizan por los siguientes elementos y parámetros: . Ancho por el fondo (b) . Ángulo de los laterales (α) . Profundidad final (igual a la altura del escalón)(h) . Longitud (L1, L2) . Pendiente. L1 b L2 h Figura No. 28. Excavaciones mineras a cielo abierto; 1. Trinchera de apertura, 2. Trinchera de corte. 52 �Las trincheras tienen varias clasificaciones en dependencia de diversos factores, a continuación trataremos las más empleadas. I. Las trincheras de apertura (de entrada o maestra) terminan alcanza cota Exteriores se O del Interiores cuando la Partiendo de su ubicación Plazo de servicio Estacionarias (capitales), Semiestacionarias (en el bordo de la cantera temporalmente inactivo) horizonte a preparar. Temporales (en el bordo Figura No.29 y 30 de trabajo). II. Trinchera de corte. Se laborea a partir de la trinchera de apertura y es una excavación preparatoria horizontal, la cual crea el frente de trabajo en dicho horizonte . Figura No.29. Trincheras de apertura exteriores 53 �Figura No.30. Trincheras de apertura interiores Las trincheras de apertura y de corte poseen profundidad final igual a la altura del escalón, sin embargo las de entrada varían su profundidad proporcionalmente a la longitud, alcanzando el valor máximo cuando llega al horizonte que se pretende explotar. Los ángulos de los bordes de las trincheras independientemente de las funciones de estas se determinan a partir de las propiedades físico-mecánicas de las rocas. La pendiente “i” de las trincheras de corte como regla es igual a cero (en ocasiones se deja un desnivel muy pequeño para el desagüe, en las de apertura se determina en dependencia del tipo de transporte. La longitud de las trincheras de apertura se determina a partir de su pendiente y la altura del escalón (h), en los gráficos mineros se observa la proyección de la trinchera en el plano horizontal. La longitud de las trincheras de corte se determina en base a la longitud del bloque a preparar y el tipo de transporte utilizado. 54 �El ancho de las trincheras por el fondo (b) se establece fundamentalmente a partir de los equipos mineros y de transporte utilizados en sus labores y los futuros equipos de explotación. Cada trinchera de apertura resuelve una tarea particular, preparar un nuevo horizonte (tarea general para yacimientos horizontales de poca profundidad). Durante la explotación de los yacimientos horizontales, inclinados o abruptos, de gran profundidad, simultáneamente se encuentran en explotación gran cantidad de escalones, entonces se emplean las trincheras separadas (Figura No. 31) que sirven para garantizar el enlace entre dos escalones contiguos; se unen en una red de transporte única y tiene lugar un sistema de trincheras, que permite realizar el enlace con los puntos de recibimiento de la masa mineral, (escombreras, depósitos intermedios, plantas de beneficio). Figura No. 31. Apertura con trincheras separadas; 1, limite del campo de mina (de cantera); 2, trincheras de los niveles III y IV; 3, trincheras de los niveles I y II. 55 �Si la apertura se realiza en las laderas de las montañas, el perfil de la trinchera es incompleto, y se denomina semitrinchera. Si la apertura se ejecuta con un sistema de trincheras interiores, ubicadas dentro del contorno de la cantera, en el proceso de formación de la zona de trabajo, un borde de la trinchera se explota y esta se convierte en una semitrinchera. El método de apertura con trincheras incluye más de una variante, uno de los criterios fundamentales es la ubicación recíproca del sistema de trincheras en el espacio. Apertura con trincheras sucesivas interiores (para canteras de forma circular), durante el paso de un escalón a otro la dirección del movimiento de los medios de transporte no varía (Figura No. 32 y Figura No. 42) . Apertura con trincheras cerradas interiores (con transporte automotor en forma de lazo), el sentido del movimiento de los medios de transporte varía de escalón en escalón. Figura No. 43) . Apertura con trincheras combinadas. El sentido del movimiento durante el ascenso o descenso de los escalones varía cada 3-4 escalones. 56 �+ 0 - -h - 2h - 3h -h L lo L lo -2h -3h L lo Figura No. 32 . Vista en planta y perfil de apertura con trincheras sucesivas . L – longitud de la trinchera. Lo – longitud de la plazoleta de intercepción. H – altura del escalón. 57 �Apertura de flanco Apertura Central 58 �Apertura por el costado yacente Apertura por el costado colgante. Figura No.33. Apertura por la ubicación de las excavaciones con relación al campo de cantera. Apertura Por el número de escalones a que sirven Separadas (un escalón). De grupo (un grupo de escalones) Generales (todos los escalones) 59 �Figura No.34. Apertura con trincheras de grupo Por el número de trincheras que aperturan un escalón Unitarias (una trinchera) Pares (dos trincheras) Las trincheras pares permiten organizar el movimiento de los medios de transporte por separado, gracias a lo cual mejoran los índices de utilización de los equipos en el tiempo. Se utilizan como regla, en las canteras no muy profundas o para la apertura de los horizontes superiores de las canteras profundas. 60 �Estos son los métodos de apertura con trincheras, cada uno de los cuales se desarrolla a medida que avanzan los trabajos mineros en la cantera en dirección horizontal y profundidad. II.3.- Métodos de laboreo de trincheras. La apertura y preparación de nuevos horizontes de trabajo en las canteras garantizan el aseguramiento de la estabilidad o el aumento de la longitud del frente mineral, es decir, la estabilidad o el aumento de la productividad mineral de la cantera. De la velocidad de laboreo de la trinchera depende la duración de la apertura y preparación de nuevos horizontes, la presencia o la ausencia de un frente suficiente de extracción o destape, por lo anteriormente expuesto, existe la tendencia de aumentar siempre la velocidad de laboreo de las trincheras. Los métodos existentes de laboreo se pueden dividir en dos grupos: . Laboreo directo a toda profundidad con frente continuo; . Laboreo por capas, el frente se divide en capas verticales. A partir de la ausencia o presencia de los medios de transporte existen los siguientes métodos de laboreo. . Con transporte; . Sin transporte; . Métodos combinados. A continuación se analizan algunos ejemplos de los más característicos. II.3.1.- Laboreo de trincheras con transporte ferroviario a toda su profundidad. El ancho de la trinchera por el fondo se determina a partir de las condiciones de ubicación de la franja de transporte y el montón de rocas explosionadas. b = x×a+ A Donde: 61 �x - ancho del montón de rocas; a - ancho de la franja (banda) de transporte que incluye una o dos vías y la cuneta; A - ancho de la banda de perforación. Habitualmente para una sola vía (a=8 m, b=29-36 m), para dos vías (a=15 m, b=36-45 m). - A partir de la condición de ubicación de los equipos de carga y transporte (Figura No.35 A, B y C y 36 ). b = d1 + d 2 + k Donde: d 1 - distancia desde el eje de la excavadora hasta el borde de la trinchera, m; d1 = r + 0.8 − h p × Cotα Sin α d 2 - distancia desde el eje de la excavadora hasta el eje de la vía férrea, con el brazo estirado al máximo; r - radio de giro de la parte trasera de la excavadora; 0.8 - distancia mínima entre la parte trasera de la excavadora y el borde de la trinchera; h p - altura desde la superficie del fondo de la trinchera hasta la plataforma de la excavadora; k - distancia entre el eje de la vía férrea y el borde de la trinchera, (k=5 m). - Considerando el giro libre de la parte trasera de la excavadora (durante la carga superior). b = 2d 1 Habitualmente b=10-20 m. En la Figura 35A. una pala mecánica laborea una trinchera en un frente cerrado, a toda su altura. En este caso el ancho de la trinchera por el fondo se determina por la expresión: 62 �b=a+x+ A En la Figura 35B, el laboreo se realiza con parejas de excavadoras, la que se encuentra en el frente, carga el último vagón, y entre uno y otro le prepara un montón de rocas a la segunda excavadora. En este caso dos excavadoras cargan simultáneamente 2-3 vagones, ello disminuye considerablemente el tiempo de carga de los trenes y aumenta la velocidad de laboreo de la trinchera. El ancho de la trinchera por el fondo se determina por la expresión: b = d1 + d 2 + k En la Figura 35C, una pala mecánica laborea una trinchera con carga superior y ancho por el fondo b=2d 1 . A B C Figura No.35. Laboreo de trincheras con transporte ferroviario a toda su profundidad. 63 �II.3.2.- Laboreo de trincheras por capas con transporte ferroviario. Este método se utiliza para aumentar la velocidad de construcción de la trinchera, parte del aumento de la cantidad de equipos. Figura No 36. Excavación de una trinchera con tajo largo con carga inferior de la roca en vagones ferroviarios. Existen los siguientes métodos de laboreo por capas: . Laboreo de las capas a todo su ancho, Figura No. 37A. . Arranque con capa superior e instalación de las vías en un solo borde, (Figura No. 37B) 64 �. Arranque con carga superior e instalación de las vías en ambos bordes, (Figura No 37C). I I II II III III Figura No. 37A. Laboreo de las capas a todo su ancho Figura No. 37B. Arranque con capa superior e instalación de las vías en un solo borde. I II III IV Figura No. 37C. Arranque con carga superior e instalación de las vías en ambos bordes. En la Figura No38 Se muestra el laboreo de una trinchera por capas con carga superior, en este caso en cada capa el ancho de la trinchera por el fondo b 1 =2d 1 . El ancho del fondo cuando se alcanza la profundidad final (b) depende de los equipos y se calcula fácilmente. 65 �d1 d2 b Figura No.38. Laboreo de una trinchera por capas con carga superior II.3.3.- Laboreo de trincheras con transporte automotor a toda la altura del escalón. Los esquemas más difundidos son los cerrados o con giros circulares de los camiones. El esquema cerrado se muestra en la Figura No. 39A, el ancho de la trinchera por el fondo se puede determinar por la siguiente fórmula: b = 2d + R + lc + x 2 donde: d - distancia desde el borde del camión hasta el borde de la trinchera; R - radio de giro del camión; l c - longitud del camión; 66 �x - ancho del camión. En dependencia de la marca del camión el valor de “b” oscila entre 25 -30 m. En la Figura No.39B, está representado el esquema de laboreo de una trinchera con giros circulares del camión. El ancho de la trinchera por el fondo será: x  b = 2 d +  + 2 R = 2( d + R ) + x  2 67 �B A A R R d R x b b A AA´ Figura No.39. Laboreo de trincheras con transporte automotor a toda la altura del escalón. 68 �En la conclusión del análisis de los métodos de laboreo de trincheras con transporte se mostrará el esquema con transporte, sin transporte y transporte combinado. La trinchera se laborea en rocas duras, después de la perforación y el mullido, la trinchera se divide en dos capas. La superior es cargada al transporte ferroviario ubicado en el borde de la trinchera (carga superior), la capa inferior es cargada al transporte automotor en este caso con esquema cerrado. El ancho de la trinchera por el fondo depende del método de llenado de los camiones por la excavadora. II.3.4.- Métodos de laboreo sin utilización de transporte. Se utilizan para el laboreo de trincheras en rocas de fortaleza f =2-4 en la escala de Protodiakonov con excavadoras de arrastre (dragalinas). En este método se prevé la ubicación de las rocas en los bordes de la trinchera. Los esquemas se diferencian por la ubicación de las rocas y por la construcción de los frentes, existen los siguientes métodos: . Frente de arranque de extremo, con ubicación de las rocas en ambos lados de la trinchera. . Frente de extremo con ubicación de las rocas en un solo lado de la trinchera. . Frente lateral con ubicación de las rocas en un solo lado de la trinchera. El cálculo de los parámetros del laboreo consiste en la comprobación de la correspondencia de los parámetros de la excavadora, la trinchera y la escombrera. Esta combinación se realiza determinando la posibilidad de ubicación del volumen de rocas extraído de la trinchera en la escombrera situada su borde. S o = Ke × S t Donde: S o - área de la sección transversal de la escombrera; S t - área de la sección transversal de la trinchera; 69 �K e - coeficiente de esponjamiento de las rocas. Los parámetros fundamentales que se calculan son los siguientes: . Altura de la escombrera; . Profundidad de la trinchera; . Ancho de la trinchera por la superficie. El ancho de la trinchera por el fondo se determina a partir de la ubicación de los equipos mineros y de transporte. En la Figura No.40, se muestran los parámetros del laboreo de una trinchera con frente de extremo y ubicación de las rocas en ambos lados. Figura No.40. Frente de arranque de extremo, con ubicación de las rocas en ambos lados de la trinchera. En las figuras mostradas aparecen de manera general los siguientes parámetros: . R d - radio de descarga de la dragalina; . b s - ancho de la franja de seguridad (b s ≅3 m); 70 �. α - ángulo de los bordes de la trinchera; . αo - ángulo de los bordes de la trinchera con frente lateral; . β - taludes de las escombreras; . K e - coeficiente de esponjamiento de las rocas; . b - ancho de las trincheras por el fondo; . B - ancho de la trinchera por la superficie; . H - profundidad de la trinchera; . H a - profundidad de arranque de la excavadora; . H o - altura de la escombrera; . R a - radio de arranque de la excavadora; . l g - distancia desde el eje de la excavadora hasta el borde superior de la trinchera. Velocidad de laboreo de la trinchera. Depende de la productividad de los equipos que trabajan en el laboreo de la misma, y la sección transversal de ella. V = Q St Donde: V - velocidad de laboreo, m/mes; Q - productividad mensual de la excavadora, m3/mes; S t - sección transversal de la trinchera, m2 II.4.- Grafico de organización de los trabajos de apertura y preparación de nuevos horizontes. Las fórmulas expuestas anteriormente nos dan la posibilidad de establecer teóricamente el límite superior de la velocidad de profundización de la cantera. Pero ello en gran medida depende de factores organizativos, por ello para la determinación exacta de la velocidad de profundización de los trabajos mineros en la cantera se debe analizar la organización de los mismos. El método más utilizado es el propuesto Longitud = f(Tiempo) propuesto por el Prof. Arsentiev A.A. 71 �El gráfico L=f(T) permite analizar y programar cualquier variante de organización de la profundización en cualesquiera de las condiciones de trabajo, determinar el tiempo de apertura y preparación de nuevos horizontes, este se halla como un intervalo de tiempo entre dos posiciones similares de los trabajos mineros durante la preparación y apertura de los escalones contiguos. El tiempo de preparación y apertura del nuevo horizonte representa la base para la determinación de la velocidad de profundización de la cantera, y esta a su vez es la base para la determinación de la productividad de la cantera. Aquí radica la importancia de la organización de los trabajos de apertura y preparación de nuevos horizontes. Analicemos en un ejemplo simple el orden de ejecución del gráfico L=f(T). En la (Figura No.41) está representado un plan conjunto de dos horizontes, de acuerdo con este dibujo el horizonte 1 fue aperturado por la trinchera de apertura AB, con longitud de 200 m y preparado por la trinchera de corte BC con longitud de 800 m (los valores numéricos se dan para mayor evidencia). Si en el laboreo trabaja una sola excavadora, después de terminar la trinchera de corte comenzará a trabajar en la banda ´´i´´, ensanchando la trinchera, después en las bandas ´´k, l, m´´, hasta que no sea extraído el volumen V 1 , que permite la apertura y preparación del horizonte 2. Teniendo un ancho de plazoleta normal (B), el frente de trabajo en el horizonte 1 (L f ) ocupa la posición D f . De esta manera se garantiza la posibilidad de profundización de la cantera hasta el horizonte 2. Si existe la necesidad, la excavadora comenzará inmediatamente el laboreo de la trinchera de entrada A1B1 y después la de corte B1C1. El tiempo de preparación de nuevos horizontes (T) se determina como el intervalo de tiempo entre dos situaciones similares de los trabajos mineros en los horizontes contiguos. En el caso analizado los puntos C y C1 que corresponden a la 72 �determinación del laboreo de las trincheras de corte en los horizontes 1 y 2, de acuerdo con el gráfico T=2.5 años. La velocidad de profundización puede ser determinada por la siguiente expresión: hp = h T Donde:h p - velocidad de profundización, m/año; h - altura del escalón, m. Para aumentar la velocidad de profundización es necesario disminuir el tiempo de preparación de los nuevos horizontes. Con este objetivo se utilizan varias excavadoras durante la preparación de los nuevos horizontes. Si en el caso visto utilizamos dos excavadoras, la primera laborea las trincheras de apertura, el frente de trabajo se divide en dos bloques, L b1 = L b2 = 400 m. La segunda excavadora comienza a trabajar en el desplazamiento del borde de la trinchera en el bloque b 1 , cuando la excavadora N 1 ha laboreado la trinchera a una distancia tal que permite el trabajo de la segunda, que va más rápido (debido a que la sección transversal de la banda es menor que la de la trinchera) y que esta no se acerque a una distancia menor que 150 m. En el caso analizado la segunda excavadora puede comenzar 3.5 meses después que la primera. La excavadora N 1 , después del laboreo de la trinchera pasa al bloque b 2 , para desplazar el borde de la trinchera. La excavadora N 2 al terminar el horizonte 1, puede pasar a laborear la trinchera de apertura A11 B11 y la de corte B11C11. Aquí también hay que observar la distancia mínima de 150 m hasta la excavadora N 1 que trabaja en el ensanchamiento de la trinchera en el bloque 2. La utilización de dos excavadoras permitió disminuir el tiempo de preparación del nuevo horizonte hasta T 1 =1.2 años y de esta manera aumenta significativamente la velocidad de profundización. En gráfico L=f(T), de la Figura No. 41 el trabajo de las excavadoras se representa 73 �con líneas, puesto que las secciones de las trincheras son estables, y como las secciones de las bandas no son estables, el trabajo de las excavadoras en el ensanchamiento de las trincheras se representa en forma de área (superficie). 74 �D M L k i C C 1000 m K C´ 900 C´ H1 800 700 B H2 600 I I B´ 500 400 A´ 300 B´ 200 B B 100 i l A´ f A I–I A T, años 3,5 años V α φ H2 1 año 2 años Figura No. 41. Gráfico de organización de los trabajos de apertura y preparación de nuevos horizontes. 75 �II.4.1.- Apertura con trincheras sucesivas interiores. En la Figura No. 42 está representada la vista de una cantera aperturada con trincheras sucesivas interiores. Este método de apertura se utiliza con diferentes tipos de transporte: ferroviario, automotor, transportadores de banda, skips. En dependencia del tipo de transporte varía la pendiente de las trincheras y las construcciones de las plazoletas de intersección de las trincheras y los escalones. Durante la apertura con este método el sentido del movimiento del transporte no varía al pasar de un escalón a otro. El sistema de trincheras sucesivas ocupa en el bordo de la cantera un tramo de longitud: hj n −1 L ≥ ∑ Lbj + ∑ loj = ∑ + ∑ loj 1 1 1 i 1 n n −1 n donde: i - pendiente media de las trincheras de apertura. n - cantidad de escalones; L bj - longitud de las trincheras de apertura. L oj - longitud de las plazoletas de intersección, h j - altura de los escalones. En la Figura No. 42 se muestra la organización de los trabajos y su interpretación gráfica durante la apertura con sistema de trincheras sucesivas interiores. La excavadora N 1 laborea la trinchera de apertura AB en el escalón inferior (horizonte 50m) y después laboreará la trinchera de corte BG, es decir, preparará el horizonte 50m. Cuando el frente de arranque de la trinchera se desplaza a la distancia lT, se puede comenzar el laboreo de la trinchera de corte en el horizonte 50m. En sentido contrario (BK) con la excavadora N 2 . Este proceso se ha representado en el gráfico con las líneas inclinadas AB, BG, BK. 76 �La situación de los trabajos mineros en el momento de terminación del tramo de la trinchera de corte BK se muestra en la Figura No. 42. Para el ensanchamiento de la trinchera de corte, el frente de trabajo se divide en 4 bloques. Primeramente la excavadora N 3 y N 4 comienzan a trabajar en el bloque 2 y 3. El proceso de trabajo se representa en el gráfico L=f(T)en forma de rectángulo. La trinchera de apertura CD en el horizonte 35m se puede laborear en 12.5 meses y la de corte DG dentro de 13.3 meses (Figura No. 42 C) a partir del comienzo de los trabajos de preparación. Comienza el trabajo en el horizonte 35m con el laboreo de la trinchera de corte (Figura No.42D) su ensanchamiento en 4 bloques (5,6,7,8) y se laborea la trinchera de entrada al horizonte 20 (Figura No. 42E, recta EF) . El intervalo de tiempo entre el comienzo del laboreo de las trincheras de corte en los horizontes contiguos T 25 y T 20 representa el tiempo de preparación de los horizontes. Durante el análisis de estos gráficos el Prof. Arsentiev obtuvo una expresión para determinar la posible velocidad de profundización durante la apertura con trincheras sucesivas interiores. hp = 12 × Q     La + L p 1   h( Cotϕ + Cotβ ) × Lb + + × ( b + h × Cotα )   m   c × ( Lb + le )   La fórmula es real cuando V t ≥V o Vt = c×Q h( b + h × Cotα ) Donde: V t - velocidad de laboreo de la trinchera; V o - velocidad de ensanchamiento. 77 �Vo = m×Q h 2 × ( Cotϕ + Cotβ ) es decir, cuando: m≤ c × h × ( Cotϕ + Cotβ ) b + h × Cotα Cuando V t =V o hp = 12 × Q   1 ( ) ϕ β α h L Cot Cot b h Cot × × + + × + × ( )   b c × ( La + Lb + la + le )   Q - productividad de la excavadora, m3/mes; h - altura del escalón, m; ϕ - ángulo de inclinación del bordo de trabajo, grados; β - ángulo de inclinación de la dirección de profundización, grados; α - talud del escalón, grados; L b - longitud del bloque de la excavadora, m; L a - longitud de la trinchera de apertura, m; L p - longitud de la plazoleta de intersección, m; le - distancia mínima permisible entre la excavadora que laborea la trinchera y la que la ensancha, m; b - ancho de la trinchera de corte por el fondo, m; e - coeficiente de disminución de Q durante el laboreo de trincheras; m - cantidad de excavadoras que trabajan en el ensanchamiento de las trincheras. 78 �D C E G B G 1 F H= 35m H = 50m G b4 A A H= 20m b8 b8 E 1 b3 b7 b7 4 D D D H = 50m H = 35m A b6 b6 It B C B C C B b2 3 K A-A N A A b1 2 A b5 h V1 H - 50 2 V2 H - 35 K H - 20 K β φ M 79 �Figura No. 42. Apertura con trincheras sucesivas interiores G km G H – 20, E1 H – 35, E3 E3 V5= 260 000 m3 T5= 6 meses T2= 6 meses P – 50, E1 F B8 b4 E1 V2= 360 000 m3 b3 E4 V2= 260 000 m3 It D T2= 5,5 meses D B7 E4 V5= 360 000 m3 T5= 6 meses E K E3 H 35 C b2 E3 V1=335 000m3 T2=6,3meses lt B6 E5 V5= 350 000 m3 T5= 7 meses B It B H - 50 A b5 E6 V5= 370 000 m3 T5= 3,5 meses b1 E2 V1= 400 000 m3 H – 50 t2 T1= 8 meses a b K c E K d T/ Años 80 ��II.4.2.- Apertura con sistema de trincheras cerradas interiores. Este método está muy difundido, sobre todo en la explotación de yacimientos con gran cantidad de escalones, porque ocupa una parte pequeña del bordo en comparación con el sistema de trincheras sucesivas. El esquema de apertura se representa en la Figura No.43, en ella se muestra la vista en planta y la proyección del bordo de la cantera en la superficie. Para la apertura del escalón con cota -h, desde la superficie se laborea la trinchera de apertura con pendiente “i”. En el horizonte -h (menos h) se utiliza el giro cerrado para el transporte ferroviario y el de lazo para el transporte automotor. La apertura del horizonte -2h se realiza con otra trinchera de entrada en sentido contrario, en este también se realiza el giro cerrado o de lazo, y así sucesivamente. De esta manera los medios de transporte varían su sentido de movimiento en cada escalón. El sistema de trincheras cerradas ocupa en el bordo de la cantera una longitud no menor que: Lt = La + 2lt = h + 2lt i donde: L a - longitud de la trinchera de apertura (proyección en el plano horizontal); l t - longitud del acceso cerrado, (cerrado o de lazo); h - altura del escalón; i - pendiente media de las trincheras de apertura. En la Figura No. 43 están representadas las posiciones de los trabajos mineros, y el gráfico L=f(T) de organización de los trabajos durante la formación del sistema de trincheras cerradas. La posición “a” corresponde al laboreo de la trinchera de apertura en su fase final en el horizonte 50m; “b” y “c” corresponden al laboreo de la trinchera de corte en el horizonte 50m. El ensanchamiento de la trinchera en el horizonte 50m, se realiza en cuatro bloques que se representan en el gráfico con 82 �rectángulos de altura igual a su longitud y ancho igual al tiempo de preparación del bloque hasta el momento de creación de la plazoleta de trabajo normal. El primer tramo que se ensancha es el que corresponde al bloque 3, porque en este parte del horizonte 50m deben comenzar los trabajos de laboreo de la trinchera de apertura en el horizonte 35m. Después comenzarán a explotarse los bloques 2 y 4, y al final el bloque 1. La posición “d” corresponde a la situación de los trabajos mineros en los horizontes 50 y 35, en el momento de terminación de la preparación del horizonte 35m. El proceso de profundización de la cantera está representado en el gráfico L=f(T). La excavadora N 1 laborea la trinchera de entrada AF en el horizonte 50 y después la de corte. Este trabajo se representa en el gráfico con las líneas inclinadas, AF y FD. Cuando el frente de la trinchera se mueve a la distancia l t se puede utilizar la segunda excavadora en el laboreo de la trinchera de corte del horizonte 50m, (línea inclinada EF). La trinchera de entrada del horizonte 35 m puede comenzar a laborearse después de explotar los bloques 3 y 2, línea FE, luego comienza la preparación del horizonte 35 m. El intervalo de tiempo entre el comienzo de las trincheras de corte en los horizontes contiguos representa el tiempo de preparación del nuevo horizonte (T). La velocidad de profundización puede ser determinada por la siguiente fórmula: hp = h T Igual que para el método de trincheras sucesivas interiores, para este también existe una fórmula analítica para determinar la velocidad de profundización. Considerando que las excavadoras son del mismo tipo y la longitud de los bloques iguales: 83 �hp = 12 × Q L  1  × (b + h × Cotα ) h × ( Cotϕ + Cotβ ) ×  Lb + a  +  m  c × ( Lb + lt + le ) La fórmula es real cuando V t ≥ V o , es decir, cuando: m= c × h × ( Cotϕ + Cotβ ) b + h × Cotα Si V t = V o , la fórmula toma la siguiente forma: hp = 12 × Q h × Lb × ( Cotϕ + Cotβ ) + 1 c × ( Lb + La + lt + le ) × ( b + h × Cotα ) En estas fórmulas: Q - productividad de la excavadora, m3/mes; h - altura del escalón, m; ϕ - ángulo de inclinación del bordo de trabajo, grados; β - ángulo de inclinación de la dirección de profundización, grados; α - talud del escalón, grados; L b - longitud del bloque de la excavadora, m; L a - longitud de la trinchera de apertura, m; L p - longitud de la plazoleta de intersección, m; le - distancia mínima permisible entre la excavadora que laborea la trinchera y la que la ensancha, m; b - ancho de la trinchera de corte por el fondo, m; e - coeficiente de disminución de Q durante el laboreo de trincheras; m - cantidad de excavadoras que trabajan en el ensanchamiento de las trincheras. V t - velocidad de laboreo de la trinchera; V o - velocidad de ensanchamiento de la trinchera. 84 �La desventaja de este método de apertura es la presencia en cada escalón de accesos cerrados, donde los trenes se ven obligados a maniobrar, ello disminuye considerablemente la capacidad de transporte de las vías. Además, como todas las trincheras están ubicadas en un solo borde, el ángulo de este disminuye y esto crea un volumen adicional de trabajo. En la práctica la apertura con trincheras cerradas frecuentemente se utiliza en combinación con trincheras sucesivas, esto permite atenuar las desventajas de uno y otro método. En todos los métodos de apertura con trincheras, los sistemas de apertura se forman en los bordos inactivos de la cantera. En los bordos de trabajo de la cantera el enlace entre los horizontes de trabajo se realiza a través de accesos temporales. 85 �b c Figura No. 43. Apertura con sistema de trincheras cerradas interiores d b4 b4 B B b3 H 50 H 50 H 50 b3 a F F H 35 b2 A A b2 A A b1 A-A B h B VP VP β β H - 50 ϕ H - 35 H - 20 86 �Figura No. 43. Apertura con sistema de trincheras cerradas interiores d D P5 E1 l0 lt F P35 E5 b–3 E–3 T3 = 6.5 meses V3 = 325 t/m3 F F b–2 E–4 T2 = 6 meses V2 = 320 t/m3 B - 50 P50 E2 A D b–4 E–1 T4 = 7 meses V4 = 350 t/m3 0 B35 E3 C lt b–1 E–2 T3 = 8.2 meses V3 = 395 t/m3 a b E C P35 E3 E C T (años) 87 �II.5.- PREPARACION DE LAS ROCAS PARA SU EXTRACCION A CIELO ABIERTO. II.5.1.- generalidades sobre la preparación de las rocas para su extracción. Se utiliza con el objetivo de garantizar la seguridad de los trabajos mineros, la calidad de la materia prima extraída, la posibilidad técnica y las mejores condiciones de utilización de los medios técnicos en los procesos siguientes. La preparación incluye: 1. Desecación de las rocas(en el método de excavación) 2. Debilitamiento y variación del estado de 3. Fragmentación del macizo rocoso. 4. Otras formas de acción sobre las rocas para facilitar su laboreo. El método de preparación da las rocas para la extracción depende ante todo del tipo de estado de agregación y de las propiedades físicas de las rocas en el macizo, de la potencia de la unidad, de la presencia de medios técnicos, los requerimientos de la calidad de la materia prima extraída y también de las condiciones naturales de realización de los trabajos. Los gastos específicos para la preparación de las rocas para la extracción en los gastos generales del laboreo, varían desde 5 hasta 40 %. El arranque de las rocas sueltas en su estado común se realiza exitosamente con todos los tipos de equipos de arranque de excavación–carga (la preparación coincide con el arranque en espacio, tiempo y por los medios de mecanización). Con el método hidráulico la coincidencia de preparación y arranque se reduce a su lavado directo con el chorro de agua. El arranque de rocas densas y las ligadas menos fuertes también puede realizarse directamente del macizo por las máquinas de excavación-carga con esfuerzos de corte elevados. Si los esfuerzos desarrollados por las máquinas de arranque no son suficientes, la preparación de estas rocas para el arranque se reduce al esponjamiento mecánico o en algunos casos con voladuras. Con el método 88 �hidráulico la preparación previa de estas rocas se realiza mediante la inundación, el esponjamiento mecánico o la voladura. Las rocas ligadas no muy fuertes frágiles y muy frágiles se pueden preparar exitosa y económicamente mediante el esponjamiento mecánico. Las rocas ligadas fuertes normalmente se preparan para el arranque mediante voladura. En este caso los procesos de preparación son la perforación y la explosión. Trabajos de excavación-carga Consiste en la extracción de la masa minara del frente, su carga-traslación y descarga en los medios de transporte o en las escombrera. Normalmente la excavación y la carga se realiza por una misma máquina o un complejo de máquinas de excavación-carga. La extracción de las rocas sueltas pueden realizarse mediante excavadoras de todos los tipos y clases (pala directa, retro excavadora, dragalina, excavadoras de rotor, de canjilones, jaibas) y máquinas de excavación-transportación (scrapers, buldózer, cargadores). Para la preparación y extracción de las piedras ornamentales y de recubrimiento se utilizan máquinas cortadoras. La extracción de las rocas voladas se realiza con excavadoras de pala directa o con cargadores frontales. En la excavación-carga hay que realizar una serie de trabajos auxiliares como el aplanamiento de las plazoleta para la excavadoras, la limpieza de sus cucharas, la recogida de los derrames durante la carga, la limpieza del techo del cuerpo mineral, la limpieza de las bermas de los escalones, la traslación de cables, el suministro de materiales y repuesto. Para realizar estos trabajos se utilizan buldózeres, scrapers, aditamentos colgantes de las cucharas de las excavadoras winches, plataformas sobre camiones o ferrocarril. Transporte de las rocas. 89 �Este es el proceso más trabajoso y caro (de 30 – 70 % de los gastos totales). En las canteras anualmente se laborean y trasladan desde decenas de miles hasta cientos de millones de toneladas de masa minera. La distancia de transportación de las rocas de destape desde el frente a la escombrera y del mineral a los usuarios varía desde algunas decenas de metros hasta decenas de kilómetros. A veces las rocas desde el punto de carga hasta el punto de descarga se traslada con las excavadoras, scrapers o buldózeres, pero lo más frecuente es que esto se realice con diferentes medios de trasporte. Una particularidad importante de la traslación de la masa minera es que la ubicación de las puntos de carga en los frentes y de descarga en las escombreras no son estacionarios, a consecuencia de lo cual las vías de transporte regularmente se alargan o se acortan y se trasladan, lo que requiere de trabajos auxiliares muy laboriosos. Los tipos básicos de transporte en las canteras son: Ferroviario Automotor Transportador Otros tipos de transporte utilizados con menor frecuencia son; el skip, el transporte hidráulico, y otros. En algunos casos se realiza el transporte combinado. Los trabajos auxiliares en el transporte consisten en la construcción, reparación y mantenimiento corriente de las vías, la traslación periódica de estas y el mantenimiento corriente a los medios de transporte. La preparación de las rocas para la excavación se realiza con el objetivo de garantizar la seguridad de los trabajos mineros, la calidad de la materia prima la posibilidad técnica de mejores condiciones de utilización de los medios de mecanización de los demás procesos tecnológicos. La preparación incluye: aseguramiento de la estabilidad de los paramentos; drenaje; variación de su estado agregacional; fragmentación del macizo. 90 �La preparación de las rocas para el arranque o excavación se puede realizar por métodos mecánicos, hidráulicos, físicos, combinados y con explosivos. La selección del método depende ante todo del, estado agregacional y propiedades de las rocas en el macizo, potencia productiva de la empresa, presencia de medios técnicos, exigencias a la calidad de la materia prima, y también de las condiciones naturales. Los gastos en la preparación oscilan entre 5-40 % del total de los gastos de extracción. La excavación de las rocas blandas se puede realizar con cualquier equipo de arranque, en este caso la preparación se conjuga con la excavación y se realiza con el mismo equipo. La excavación de rocas densas se realiza con equipos de mayor fuerza. Las rocas duras deben ser preparadas para la excavación • por métodos explosivos. III.5.2.- Formación de Escombreras. Estos trabajos consisten en el traslado y ubicación de las rocas de destape o el mineral que se va a almacenar por un tiempo largo en plazoletas especiales preparadas para este fin; el peso específico de los gastos para la formación de escombreras oscila desde 5 hasta 20%. La formación de escombreras puede realizarse tanto con máquinas especiales como con los medios de mecanización de otros procesos productivos, tales como excavadoras, buldózeres,. Cuando la traslación de las rocas se realiza en camiones, como equipos formadores de escombreras se utiliza el buldózer. El conjunto de procesos productivos interrelacionados que asegura la variación del estado de agregación de las rocas de destape y del mineral y también su carga, traslación y almacenamiento constituye la tecnología de laboreo de un yacimiento: La tecnología y la mecanización de los trabajos mineros se basa sobre los principios de: Fluidez. Simultaneidad e independencia de los procesos. 91 �Aseguramiento de las distancias más cortas de traslación de la masa minera. Disminución del número y el volumen de los trabajos auxiliares. Gastos mínimos de producción y máxima ganancia en la realización de la producción. Las labores de escombreo representan el último proceso tecnológico fundamental en la explotación de una mina a cielo abierto. Es un proceso de mucho trabajo, de la calidad de este depende en amplio margen el ritmo y el rendimiento económico del trabajo de la mina. Los gastos de las labores de escombreo en la minería a cielo abierto alcanzan el 12-15 % de los costos totales de extracción de 1 m3 de rocas estériles. Absorben alrededor del 25 % de los trabajadores del destape. Durante la planificación y proyección de las labores de escombreo es necesario considerar los siguientes factores: - Las escombreras deben tener el volumen suficiente, encontrarse a la distancia mínima de la cantera, estar situadas en áreas sin mineral útil, no obstaculizar el desarrollo de los trabajos mineros y facilitar la creación de las condiciones de seguridad del trabajo. - El método de escombreo y los medios de mecanización deben garantizar el almacenamiento continuo de rocas, la capacidad de recibimiento, los gastos mínimos y la productividad máxima de los trabajadores. El laboreo de escombreras incluye los siguientes trabajos: - descarga de las rocas en el frente de escombrera; - distribución de las rocas en la escombrera; - traslado de las vías de comunicación. Las escombreras se clasifican por varios índices. - Por el lugar de ubicación: . Interiores. 92 �. Exteriores. . Combinadas. Las escombreras interiores Figura No.44 se ubican en el espacio laboreado durante la explotación de los yacimientos horizontales. V V Figura No.44. Escombrera interior M- Mineral V- Estéril Las escombreras exteriores Figura No.45, se ubican fuera del campo de minas durante la explotación de yacimientos abruptos. En estos casos es preferible situarlas en las laderas de las montañas, en depósitos naturales. En aquellos casos de ubicación de escombreras en lugares llanos es necesario construir las capas iniciales. Existen varios métodos para construir esta capa inicial: usando las rocas de reserva, cuando a su lado se laborean excavaciones, las rocas de esta se utilizan para la capa inicial, usando las rocas del destape. Los métodos de construcción de la capa inicial con las rocas de reserva o de destape hasta la altura proyectada H o se muestran en la Figura No.46. 93 �Las escombreras combinadas Figura No.47 como regla tienen lugar durante la explotación de yacimientos horizontales con gran potencia de rocas suprayacentes. Antes de alcanzar la profundidad final todas las rocas de destape se transportan hasta las escombreras exteriores y después de los escalones inferiores a las interiores. 94 �A V B C Figura No. 45. Escombreras exteriores. A – En espacios naturales o artificiales B – En laderas C – En llanuras 95 �Ho Ho Figura No.46. Esquema de formación de escombreras. 96 ��P Figura No. 47. Escombreras combinadas 98 ��El límite de las rocas de destape para cada escombrera se determina por la capacidad de recibimiento de estas y por cálculos técnico-económicos. - Por su altura: . De un piso, . De varios pisos. - Por el desarrollo del frente de trabajo: Figura No 47. . Paralelas. . En forma de abanico. . Circulares. 100 ��3 1 2 Figura No.48 Variantes de desarrollo del frente de la cantera. 1 - Paralelo 2 - Abanico 3 - Circular 102 ��- Por el método de mecanización: . De excavadoras. . De bulldozer. . Con formadores de escombreras de cinta. . De arado. . Con screpas. . Hidráulicas. . Combinadas. La mayor difusión en la actualidad la han obtenido las escombreras de excavadoras y de bulldozer. Las primeras trabajan fundamentalmente con transporte ferroviario y las segundas con transporte automotor. III.5. 2.1.- Tecnología de laboreo de escombreras con excavadoras. Se utilizan fundamentalmente excavadoras de un solo cubo con capacidad entre 4-16 m3. La capacidad de admisión de la escombrera alcanza los 500 m3/m de longitud del frente de la escombrera. El ancho del desplazamiento de las vías con excavadoras de 4-5 m3 oscila entre 20-25 m, para excavadoras de 8 m3 es de 30-32 m. En los últimos años se ha comenzado a utilizar dragalinas en las escombreras. Sin embargo aumentando la capacidad de recibimiento específico de la escombrera y el ancho del desplazamiento de las vías, las dragalinas solo se pueden utilizar en rocas blandas o muy bien fragmentadas, y en comparación con palas mecánicas de igual capacidad, la duración del ciclo de trabajo es mayor, y por ende es menor la productividad. La desventaja general de este método consiste en la reexcavación de las rocas procedentes de las canteras, pero ello no ha impedido la difusión universal del método que en la actualidad es el más utilizado a nivel mundial. En la Figura No.49 está representado en forma general el frente de trabajo. La excavadora distribuye las rocas en la banda de escombreo de ancho “A” y longitud “L”. El cambio de trenes vacíos y llenos se realiza en el punto de cambio (P. C.). 104 �Se representa el trabajo de la excavadora en la banda de escombreo. Cuando se utilizan palas mecánicas, como regla el escalón de escombreo “H o ” se divide en dos subescalones h 1 y h 2 . La excavadora se instala en el piso del escalón superior, prepara una zanja de recibimiento para que descarguen en ella los vagones. La excavadora reparte las rocas por los subescalones superior e inferior. Cuando la zona de acción de la excavadora en ambos subescalones está repleta, esta se mueve a lo largo del frente en la Figura No.49, se representa con una flecha) prepara una nueva zanja de recibimiento y trabaja hasta rellenar los subescalones. Cuando se termina la banda de escombreo, se trasladan las vías a una posición nueva para laborear otra banda. 105 �Figura No. 49. Laboreo de escombreras con excavadoras. Cálculo del laboreo con excavadoras. Las escombreras deben garantizar el trabajo continuo de la cantera, al recibir y almacenar las rocas de destape que permiten la creación de los frentes de extracción de mineral. Los cálculos de las labores de escombreo con excavadoras incluyen: 106 �. Determinación de l área de la escombrera. “S”. Para escombreras de un nivel. S= Vd × Ke Ho Para escombreras de dos niveles. S= Vd × Ke Ho 1 + Ho 2 × η Donde: V d - volumen de rocas estériles en los contornos de la mina; K e - coeficiente de esponjamiento de las rocas en la escombrera, (K e =1.151.4); H o - altura de la escombrera; H o1 -H o2 - altura de los niveles 1 y 2; η- coeficiente de llenado del área del segundo nivel (η= 0.4-0.8). Determinación de la cantidad de trenes que descargan en un día en la banda de escombreo. Nt = f ×T 2 L + n × td + τ V Donde: T - jornada de trabajo en un día; f - coeficiente que considera la no uniformidad en la llegada de los trenes (f=0.85-0.9); L - distancia desde el punto de cambio hasta el lugar de descarga; V - velocidad de traslación del tren, (7-10 Km/h); n - cantidad de vagones en el tren; t d - tiempo de descarga de un vagón; τ - tiempo para el enlace durante el cambio de trenes, (τ ≅ 0.05 h). 107 �Capacidad de recibimiento diaria de la banda de escombreo a partir de las posibilidades de transporte. Wrt = Nt × n × V Donde: V - volumen de rocas en el vagón. Capacidad de recibimiento diaria a partir de las posibilidades de almacenamiento. Wra = Qe Donde: Q e - productividad de la excavadora, m3/día. Determinación de la capacidad racional de la cuchara de la excavadora,se parte de la interrelación que debe existir entre los equipos de transporte y carga (la productividad de la excavadora debe ser igual a la capacidad de recibimiento de la banda en dependencia del transporte). Wrt = Wra Sustituyendo los valores de W rt y W ra en fórmulas anteriores se obtiene el tipo más racional de excavadora. Capacidad de recibimiento de la banda de escombreo. Wb = Ao × Ho × L Ke Donde: A o - ancho de la banda; L - longitud de la banda de escombreo. Ao = 0.9 × ( Ra + Rd ) Ao = 2 Ra2 + l 2 + P Donde: 108 �R a - radio de arranque de la excavadora, m; l - longitud de la zanja de recibimiento, l = (2-3)l v; P - distancia de seguridad desde el eje de la vía hasta la zanja de recibimiento, (P≅2.5 m) l v - longitud del vagón; H o - altura de la escombrera. Determinación del tiempo entre traslados de las vías. Tt = Wb , dias. Wrt Todos los cálculos anteriores son solo para una banda de escombreo. Ellos podrán ser utilizados para toda la cantera si la productividad estéril diaria de esta no sobrepasa la capacidad de recibimiento de una banda, en caso contrario es necesario determinar la cantidad necesaria de estas. Nt = ( Wc × 1 + tnt Tt Wb ) Donde: W c - productividad estéril de la mina en un día, m3; t nt - tiempo de nivelación de la nueva traza y traslado de la vía; T t - tiempo de traslado de la vía. Volumen de trabajo para el cambio de vías. Conociendo el tiempo para el traslado de las vías en las bandas de escombreo, la longitud de estas bandas, y el régimen de trabajo de la escombrera, se puede establecer el volumen de trabajos viales P (metros de vías férreas al año). R× L P= Tt Donde: 109 �R - cantidad de días de trabajo al año; L - Longitud de las bandas. III.5.2.2.- Tecnología del laboreo de escombreras con bulldozer. Las labores de escombreo se realizan con bulldozer como regla general cuando las rocas estériles son transportadas por camiones. Si se cuenta con bulldozer muy potentes (más de 500 HP) se puede utilizar racionalmente el transporte ferroviario. Los trabajos de escombreo incluyen: - descarga de las rocas en el talud o en la plazoleta de descarga; - traslado de las rocas por el talud con los bulldozeres (nivelación del borde); - trabajos viales y de nivelación. Existen dos métodos de laboreo de escombreras con el transporte automotor. . Periférico. . De plazoleta. En el primer caso las rocas son descargadas directamente en el talud de la escombrera o muy cerca de este, luego los bulldozer las trasladan hacia el borde superior del escalón. El volumen de trabajo del bulldozer depende de la distancia entre este borde superior y la máquina que descarga. En presencia de una base estable de la escombrera, se trata de descargar las rocas directamente en el talud. Para garantizar la seguridad del trabajo en estos casos se usan dos métodos: - Se crean montículos de rocas delante del borde del escalón de la escombrera, (Figura No. 50A); 110 �- Fijación de los camiones antes de la descarga (Figura No. 50B ) como puntos de fijación pueden servir tornillos de cementación o máquinas pesadas (tractores u otras). A 0.45 – 0,8m B 1 – 1.5m Figura No. 50. Formas de garantizar la seguridad de los trabajos durante el Laboreo de escombreras con Bulldozer A – Montículos de seguridad B – Anclado del camión En el segundo caso (método de plazoleta), Figura No.51. las rocas se descargan sobre toda el área de la escombrera después se nivela con los bulldozer y se apisona con cilindros o rodillos, aquí queda lista para la segunda capa. La distancia de transportación de las rocas por los bulldozer no sobrepasa los 5-15 m. este método se utiliza cuando las rocas son blandas y poco estables. 111 �3 2 1 Figura No.51. Escombrera de plazoleta Se puede señalar que el método periférico , figura No. 52. alcanza rápidamente la altura máxima y se desarrolla en lo adelante por el área de la escombrera, y el de plazoleta primeramente ocupa toda el área de la escombrera y va ganado altura poco a poco, por capas. En la actualidad la mayor difusión la obtenido el método periférico, en primer lugar por que el volumen de rocas de elevada fortaleza sobrepasa ampliamente al de rocas blandas. 112 �Figura No. 52. Escombreras periféricas. 113 �Cálculo de las labores de escombreo con bulldozer. Estos cálculos consisten en la determinación del área de la escombrera, longitud del frente de descarga, y la cantidad necesaria de bulldozer. Los datos iniciales para el cálculo están representados por el volumen de rocas a almacenar, W, productividad diaria (turno) estéril de la cantera, volumen real de rocas transportadas por u camión en un viaje. Determinación del área de la escombrera. Se W × Ke He × K a Donde: W - volumen de rocas que serán depositadas en la escombrera durante toda su existencia; K e - coeficiente de esponjamiento de las rocas en la escombrera ( K e =1.051.2); H e - altura de la escombrera; K a - coeficiente que considera los taludes y la no uniformidad del llenado de la escombrera (para escombreras de un nivel (K a =0.8-0.9) y para dos niveles K a =0.5-0.7). Determinación del número de tramos de la escombrera. En las escombreras de bulldozer es necesario determinar la cantidad de tramos activos que son de descarga, de nivelación y de reserva. El orden de cálculo es el siguiente: - Se determina el número medio de camiones que descargan en la escombrera en una hora. N= Aeh × f n Qc Donde: 114 �A eh - productividad estéril de la mina m3/h. f n - coeficiente que refleja la no uniformidad del trabajo de destape de la cantera. f n =1.25 - 1.5 Q c - volumen de rocas transportadas por un camión en un viaje. Cantidad de camiones que descargan simultáneamente en la escombrera. No = N × td 60 Donde: t d - duración de la descarga y maniobra de un camión.(t d =60-100s) A partir del número de camiones que descargan simultáneamente en la escombrera se determina la longitud del frente de descarga de la escombrera. Ld = N o × b Donde: b - ancho de la franja ocupada por un camión durante las maniobras de descarga (el valor mínimo b=18-20m, el máximo b=30-40 m). El número de tramos de descarga en la escombrera trabajando simultáneamente se determina por la fórmula siguiente: Ns = Ld 60 ÷ 80 El número de tramos que se hallan en fase de nivelación como regla se toma igual al anterior Nn = Ns El número de tramos de reserva habitualmente se determina por la fórmula siguiente: Nt = Ns + Nn + Nr A partir del número total de tramos de la escombrera se puede determinar la longitud total del frente de la escombrera. 115 �Lt = (60 ÷ 80) × N t Cantidad necesaria de bulldozer. El número de bulldozer de trabajo se determina a partir del volumen de trabajo en la escombrera que se establece de la siguiente forma: Vt = Aeh × K Donde: K- coeficiente que considera la cantidad de rocas que quedan en la plazoleta durante la descarga del camión. K= Vo Vc Donde: V o - volumen de rocas que se quedan en la superficie de la plazoleta durante la descarga; V v - volumen de rocas que carga el camión. Entonces la cantidad de bulldozer se determina por la siguiente fórmula: Nb = V Qb Donde: Q b - productividad media horaria del bulldozer. El parque inventarial del bulldozer se determina de la siguiente forma: Ninv = Nb α Donde: α - coeficiente de utilización del parque de equipos. 116 �II.6.- SISTEMAS DE EXPLOTACIÓN A CIELO ABIERTO, PRINCIPALES ELEMENTOS, INDICES Y PARAMETROS. II.6.1.- Generalidades y principales elementos del sistema de explotación Por Sistema de Explotación se entiende el orden de formación de la zona de trabajo de la cantera en tiempo y espacio, que se caracteriza por el desarrollo armónico de los trabajos mineros en los escalones, formas de los frentes y dirección del desplazamiento. El sistema de explotación debe caracterizar el desarrollo de los trabajos de preparación y extracción en la mina a cielo abierto. Es necesario señalar, que la tecnología del trabajo de destape se diferencia muy poco de la tecnología de extracción, en muchas ocasiones en un escalón de trabajo se realizan ambas labores con el mismo equipamiento. Los horizontes de extracción y destape se preparan con ayuda de trincheras de corte y zanjas de preparación, las cuales representan las excavaciones mineras de preparación. Tanto los trabajos de destape como los de extracción se caracterizan por dos particularidades básicas: tipo y dimensiones de los equipos tecnológicos empleados y el carácter del desplazamiento en el tiempo y espacio de los frentes de arranque y de trabajo. La primera particularidad determina los métodos de mecanización del arranque y transporte de las rocas, estos varían frecuentemente por el progreso técnico. La segunda particularidad determina el sistema de explotación, el carácter del desarrollo de los trabajos mineros en la mina a cielo abierto. Los parámetros del sistema de explotación dependen del tipo de equipamiento utilizado y a su vez influyen en la efectividad del trabajo de estos. 117 �A diferencia de los métodos de arranque y transporte los sistema de explotación varían muy poco en el tiempo, y con el arribo de nuevos tipos de máquinas adquieren nuevas particularidades. Los sistemas de explotación y los métodos de arranque y transportación (o esquemas de mecanización compleja) representan dos caras de un mismo proceso de explotación de yacimientos. Al mismo tiempo con un mismo sistema de explotación es posible utilizar diferentes variantes de mecanización del arranque, carga y transportación de las rocas y el mineral y viceversa, un método de arranque puede ser utilizado en varios sistemas de explotación. El sistema de explotación previsto durante la proyección, predetermina el tipo de equipos mineros y de transporte, los principales parámetros de la cantera y sus principales elementos, y también los índices técnico-económicos del trabajo de la cantera. Los principales elementos del sistema de explotación son: escalones de trabajo, bandas de excavación, plazoletas de trabajo, trincheras de corte, zanjas de preparación, escombreras interiores. Los principales parámetros del sistema de explotación son: altura (h) y talud del escalón, ancho de la banda de excavación, talud del bordo de trabajo de la cantera, longitud del frente de trabajo para un equipo de carga (longitud del bloque de excavación), longitud del frente mineral, longitud del frente de destape, longitud total del frente de trabajo. n Lm = ∑ li i =1 m Ld = ∑ l j j =1 118 �r Lt = ∑ l k k =1 Donde: i, j, k - Cantidad de escalones de extracción, destape y total respectivamente; l i , l j , l k - Longitud de los frentes de extracción, destape y total respectivamente. Los sistemas de explotación se caracterizan por los siguientes índices fundamentales: - Velocidad de desplazamiento del frente de arranque (V fa ) V fa = Q m / mes A×h - Velocidad de desplazamiento del escalón de trabajo. V ft = 12 × Q = h p ( Cotϕ + Cotβ ) , m / año. Lb × h - Velocidad de profundización de la cantera (h p ) hp = V ft Cotϕ + Cotβ - Velocidad de descenso de los trabajos de extracción (h ext ) V ft  Cotϕ + Cotβ  = hext = h p    Cotϕ + Cotγ  Cotϕ + Cotγ - Productividad por unidad de longitud del frente de extracción (mineral) m= Am Am = n , m 3 / Km. año Lm ∑ li i =1 - Productividad por unidad del frente de destape (a e ) e= Ae A = m e , m3 / Km. año Le ∑ lj j =1 119 �- Productividad en masa mineral por unidad del frente total de trabajo (mm) mm = Amm m ∑l k =1 , M 3 / Km / año k - Pérdida de mineral útil, reflejada por el coeficiente de pérdida (η) η= ∆P P - Empobrecimiento cualitativo (disminución del contenido mineral útil a partir de la adición de rocas estériles (ρ) α −α' ρ= α - Empobrecimiento cuantitativo (ρ') ρ' = V P Donde: A m - productividad mineral de la cantera; A e - productividad estéril de la cantera; P - volumen planificado de extracción de mineral; ∆P - pérdidas absolutas de mineral, m3; α - contenido de componente útil en el mineral (en el macizo), %; α' - contenido de componente útil en el mineral extraído, %; V - cantidad de rocas estériles adicionadas al mineral, m3. Algunos elementos e índices de los sistemas de explotación, como los escalones, velocidad de profundización, son también elementos e índices de la apertura del campo de cantera. II.6.2.- Clasificación de los sistemas de explotación, concepto de régimen y etapas de los trabajos mineros. 120 �Como ya vimos, la relación cuantitativa de los volúmenes de los trabajos de destape y extracción se expresa por medio de los coeficientes de destape. La sucesión de los trabajos de destape y extracción durante el período de existencia de la cantera para la cual se asegura un laboreo del yacimiento planificado, seguro y económico se caracteriza por el régimen de los trabajos mineros a cielo abierto. Se diferencian los regímenes uniformes y no uniformes de los trabajos mineros. Los regímenes uniformes, Figura No, 53, (una etapa) son característicos para unidades con un plazo de servicio no grande. Ti T2 T3 Figura No.53. Régimen uniforme de trabajo Cuando la explotación de un yacimiento es muy prolongada es racional un régimen no uniforme (multietapa), Figura No. 54. 121 �Ti T2 T3 Figura No.54. Régimen no uniforme de trabajo La magnitud de las etapas se elige de modo que corresponda con el plazo de amortización del equipamiento básico de la cantera. El paso de etapa en etapa en tiempo se corresponde con la necesidad de cambiar el equipamiento que ha envejecido. El establecimiento de regímenes racionales de los trabajos mineros es particularmente complejo e importante en el laboreo de cuerpos inclinados y abruptos, cuando los índices económicos de la actividad de la cantera varían debido a la necesaria y permanente profundización de los trabajos mineros. II.6.2.1.- Concepto de flujos de carga y circulación de carga en las canteras. Un flujo de carga de determinada calidad se caracteriza por una dirección relativamente estable (en el tiempo) y determinado volumen de traslados en un turno o día. Si el escalón está formado por rocas homogéneas (destape o mineral) en sus límites se forma un flujo de carga elemental de roca de destape o de mineral. Si el escalón está compuesto, por ejemplo, por rocas de destape y mineral en sus límites se forman dos flujos de carga elementales. Al complicarse las condiciones de yacencia de las rocas se puede formar un gran número de flujos de carga 122 �elementales. Los flujos de carga elementales en un escalón se unen en un flujo de carga del escalón. A su vez los flujos de carga de los escalones se tiende a unirlos en el flujo de carga de la cantera. Se diferencian los flujos de cargas convergentes y divergentes (figura No.55) Figura No. 55. Flujos de carga divergentes y convergentes. y también concentrados y dispersos. Figura No. 56. 123 �Figura No. 56. flujos de carga concentrados y dispersos. Un flujo de carga se considera concentrado si los flujos de carga básica se desplazan por una vía de transporte de salida y disperso si los flujos de carga independientes se trasladan por diferentes vías básicas. La circulación de carga la de cantera es la cantidad de carga (en toneladas o metros cúbicos) por unidad de tiempo (hora, turno, día, año). II.6.3. Zona laboral de la cantera. La zona laboral de la cantera corresponde a aquella parte de ella en la que se realizan los procesos productivos básicos, es decir, el conjunto de bancos que se encuentran en laboreo simultáneamente. La zona laboral a medida que se desarrollan los trabajos mineros se amplia desde las dimensiones iniciales de la trinchera de corte hasta que su arista superior alcanza el contorno final de la cantera al nivel de la superficie. El desarrollo de la 124 �zona laboral en profundidad continúa hasta el momento que los trabajos mineros alcanzan la profundidad final de la cantera. Al laborear yacimientos horizontales y poco inclinados la zona laboral varía muy poco en altura. Estas zonas laborales se denominan sin profundización (condensadas). Hzl Hb Figura No. 57. Zonas laborales sin profundización (condensadas). Al laborear yacimientos inclinados y abruptos las dimensiones de la zona laboral varían tanto en al plano como en altura. Estas zonas laborales se denominan con profundización. B4 B3 B2 B1 H1 H2 H3 H4 Figura No. 58. Zonas laborales con profundización. 125 �II.6.4.- Sistemas de explotación y sus clasificaciones. Sistema de explotación: es un orden establecido de realización de los trabajos de destape, extracción y preparatorios que posibilita el laboreo seguro, económico y total de los recursos observando las medidas de conservación del medio. Los sistemas de laboreo o de explotación de los cuerpos horizontales y poco inclinados, en el período de la explotación se caracterizan solo por el orden de realización de los trabajos de destape y extracción y las variaciones de la longitud del frente de los trabajos o la altura de los escalones aislados. Los trabajos preparatorios, en este caso, terminan con la creación del frente primario de los trabajos de destape y extracción. Estos sistemas de explotación se denominan sin profundización ya que para ellos es característica una ubicación constante de la zona laboral. La particularidad característica del laboreo de los yacimientos inclinados y abruptos es que a medida que se desarrollan los trabajos mineros en profundidad la altura de la zona laboral aumenta y es necesario en relación con esto, realizar trabajos preparatorios durante todo el período de explotación. Los trabajos preparatorios en el período de explotación son necesarios para la apertura de los horizontes en profundidad y para la creación de un frente estable de los trabajos de destape y extracción. Tales sistemas de explotación se llaman con profundización, ya que para ellos es característico el traslado de la posición laboral. Las clasificaciones de los sistemas de explotación se basan en: - El desarrollo general de los trabajos mineros en relación con los contornos del campo de cantera. - La dirección de desplazamiento de las rocas de destape - La forma de realización de los trabajos de destape. 126 �Por el desarrollo general de los trabajos mineros en relación con los contornos del campo de cantera los sistemas de explotación se dividen en: - Longitudinales (de uno o dos bordes), el frente de los trabajos de destape y extracción se desplaza paralelamente a la longitud del campo de cantera. Figura No. 59. Sistemas de explotación longitudinales según los contornos del campo de minas (cantera). Transversales (de uno o dos bordes) el frente de los trabajos de destape y extracción se desplazan paralelamente al eje corto del campo de cantera. Figura No. 60. Sistemas de explotación transversales según los contornos del campo de minas (cantera). 127 �En abanico (central y distribuido) el frente de los trabajos de destape y extracción se desplaza en abanico con puntos de giros centrales o distribuidos. Figura No. 61. Sistemas de explotación en abanico según los contornos del campo de minas (cantera). Anulares (centrales o periféricos): El frente de los trabajos de destape y extracción se ubican por todo el borde de la cantera y se desplaza desde el centro hacia los límites del campo de cantera o desde el límite de este hacia el centro. 128 �Figura No. 62. sistemas de explotación anulares según los contornos del campo de minas (cantera). . 129 �Por la dirección de desplazamiento de las rocas de destape los sistemas de laboreo se clasifican en: Con desplazamiento transversal de las rocas a la escombrera sin medios de transporte; se denominan normalmente sin transporte Figura No.63. Sistema de laboreo con desplazamiento transversal según la dirección de desplazamiento de las rocas de destape. Con desplazamiento longitudinal de las rocas a la escombrera con medios de transporte, se denomina normalmente con transporte. Figura No.64. Sistema de laboreo con desplazamiento longitudinal según la dirección de desplazamiento de las rocas de destape. 130 �Combinados: Con desplazamiento transversal y longitudinal al unísono de las rocas a las escombreras. Estos sistemas tienen signos de los sistemas con transporte y sin transporte. Figura No.65. Sistema de laboreo combinado según la dirección de desplazamiento de las rocas de destape Por la forma de realización de los trabajos de destape los sistemas de laboreo se dividen en: Sin transporte, con desplazamiento de las rocas desde los frentes hasta la escombrera interior por medio de las excavadoras de destape (palas directas o dragalinas). Figura No 66. 131 �Figura No.66. Detalles del sistema simple de laboreo sin transporte. 132 �Figura No. 67. Detalles del sistema simple de laboreo sin transporte 133 �Con escavadora única, los trabajo de destape y extracción se realizan por la misma escavadora alternativamente. Las rocas de destape se trasladan al espacio laboreado y el mineral a una tolva móvil ubicada en la superficie. De la tolva el mineral se carga a los medios de transporte. Con transporte de escombrera. Las rocas de destape se trasladan a las escombreras interiores por medio de los puentes de escombrera a las consolas formadoras de escombreras. Especiales. Las rocas de destape se alejan por medio de grúas torres, scrapers, medios hidromecánicos, buldózer y otros equipos especiales. Con transporte: Las rocas de destape se desplazan a las escombras con medio de transporte. Estos sistemas son más complejos y menos económicos que los sistemas sin transporte, pero pueden utilizarse para cuales quiera condiciones de yacencia de los cuerpos minerales y por eso son los más utilizados. 134 �Figura No. 68. Esquema de una Mina a Cielo abierto, Río Tinto, España. 135 �PARTE III.- APERTURA PREPARACIÓN Y EXPLOTACIÓN DE LOS YACIMIENTOS PARA SU EXPLOTACION POR EL MODO SUBTERRANEO. III.1. Principales tipos excavaciones subterráneas. A) Pozo Vertical: a partir de la función que realizan en el yacimiento se dividen en: principal, de ventilación y auxiliar. Leyenda: 1. Pozo vertical 2. Recorte 9 3 1 3. Contrapozo de apertura 4. Galería Transversal 5. Pozo Ciego Interior 6. Galería Transversal de nivel 6 7. Rampa 4 8. Galería Transversal Maestra 9. Galería de mina 8 2 5 7 Figura No.70. Excavaciones mineras subterráneas B) Galerías transversales y longitudinales: En función de la cantidad de masa menífera que salga por cada excavación se dividen en: - Maestras: Por ella sale toda la masa menífera del yacimiento. Un ejemplo típico lo constituyen las galerías maestras de los yacimientos de carbón. 136 �Pendiente Galería transversal Rampa Figura No. 71: Galería transversal maestra (a). - De nivel: Por ella sale toda la masa menífera de un nivel. b Figura No. 72: Galería transversal de nivel (b). - De grupo: Se realiza con el objetivo de explorar nuevos cuerpos en un mismo yacimiento. 137 �C Figura No.73. Galería transversal de grupo (c). - De concentración: En ella se concentra toda la masa menífera de uno o varios niveles. Figura 74. d Figura No.74. Galería transversal de concentración (d). 138 �C) Contrapozo de Apertura. Figura No. 75. e Figura No. 75. Contrapozo de apertura (e). Es conveniente aclarar que no todos los autores denominan estas excavaciones de la misma manera. Por ejemplo, Borisov a las galerías transversales las denomina cortavetas. III.2. Tipos de excavaciones y requisitos de seguridad. Anteriormente se definió el concepto de trabajo de apertura como el conjunto de operaciones y excavaciones subterráneas que comunican la superficie con un punto del yacimiento. A lo que se añade, que por razones de seguridad todo yacimiento se apertura por lo menos a través de dos excavaciones o series de excavaciones subterráneas: por una se envía el aire fresco al interior de la mina y por la otra se expulsa el aire viciado a la superficie, luego de haberse ventilado los frentes de trabajo. De acuerdo con la función que realizan las excavaciones de apertura se clasifican en:  Principales  Auxiliares 139 � Complementarias  De grupo Las excavaciones de apertura principales se utilizan para la extracción de la masa minera a la superficie, para la ventilación de la mina, para el transporte de equipos, materiales y el personal debajo mina. Son los pozos verticales, pozos inclinados, socavones y galerías transversales. Las excavaciones de apertura auxiliares se destinan para determinados usos específicos diferenciándose de las principales en que por lo general tienen una sección de menor área. Son los pozos o redes de contrapozos que se comunica con la superficie que se utilizan para el descenso de material de relleno y otros materiales, para la ventilación, como vía de escape como son las excavaciones de reserva para la extracción y otros fines. Las excavaciones de apertura complementaria tienen como función llegar hasta los niveles profundos de la mina. A ella pertenecen los pozos ciegos o interiores, tanto verticales como inclinados. Las excavaciones de grupos se utilizan para la apertura de cuerpo minerales que se encuentran distantes de la excavación de apertura principal, por lo general como consecuencia de su descubrimiento tardío.  Esquema de apertura según la posición relativa de extracción y ventilación. La ubicación relativa de los pozos de extracción y ventilación entre si y con respecto al cuerpo mineral brinda esquemas que basan su diferencia principal en el recorrido que realiza la corriente de aire bajo mina, razón por la cual se conceptúan como esquema de ventilación, sin embargo aperturan y la consecuencia de su elección van mas allá de los limites de la ventilación de minas. Existen dos esquemas: central y diagonal. El esquema central se caracteriza porque tanto el pozo de extracción como el de ventilación se encuentran ubicados en la cercanía o en el mismo centro de masa 140 �del campo de mina, situándose los pozos a una distancia mínima de 30 m uno del otro por razones de seguridad. Figura No.76. Disposición reciproca de los pozos principal y auxiliar (en el plano)1pozo principal, 2- pozo auxiliar, a) esquema central, b) diagonal, c) central diagonal, d) disposición mutua del pozo principal y de cuatro pozos auxiliares. Las ventajas que ofrece este esquema son las siguientes: 1. Permite una mayor concentración de las edificaciones de sobre mina lo que facilita una mayor organización y dirección de los trabajos que se realizar el la superficie, disminuye las vías de comunicaciones y reduce el área total del complejo de superficie, esto último es de gran importancia en las minas que se encuentran en zonas montañosas. 2. Requiere una cantidad pequeña de pozos lo que tiene gran significado en minas de mediana y pequeña producción que laborean yacimientos a grandes profundidades. 3. Al estar ubicados los pozos uno cerca del otro permite el laboreo en ascenso de uno de ellos con el consiguiente aumento de la higiene del trabajo, velocidad de laboreo y disminución de los gastos. La profundización de los pozos también resulta más cómoda. 4. Disminuye el plazo de puesta en marcha de la mina al crearse con rapidez el flujo de la corriente de ventilación. 141 �5. Ofrece la posibilidad de proyectar un solo pilar de seguridad de los pozos o un número mínimo de ellos, lo cual disminuye las pérdidas de mineral cuando es imposible evitar dejar pilares con reservas minerales. Sus desventajas son: 1. Dificultades en la ventilación de la mina: posibilita la formación de cortocircuitos en la corriente de aire; el aumento constante de las longitudes totales de las excavaciones de preparación, obliga a un mayor control de la ventilación e impide elaborar un solo proyecto de ventilación. 2. La existencia de “prácticamente” una sola salida de la mina resulta muy peligroso para la evacuación del personal en caso de averías (derrumbe, fuego, inundación). El esquema diagonal (llamado también de flancos) (figura No. b y c), se subdivide en esquema central diagonal y diagonal propiamente dicho. En el primero de los casos el pozo de extracción esta situado en o cercano al centro de masa del campo de mina y los pozos de ventilación en los flancos o limites del campo de mina; en el segundo tanto el pozo de extracción como el de ventilación están situado en los flancos. Las principales ventajas de los esquemas diagonales son: 1. ventilación más barata, segura y sencilla. 2. ofrece mayor información geológica del yacimiento y en el drenaje del campo de mina. 3. mejora las condiciones de seguridad de la mina al crear más vías de escape. Entre las mayores desventajas se encuentran: 1. mayores gastos en el laboreo y mantenimiento de las excavaciones de apertura. 2. aumento del tiempo de puesta en marcha de la unidad productora al tener necesidad de terminar. Requisitos de seguridad 142 �Durante la apertura de un yacimiento es necesario tener en cuenta un conjunto de factores que influyen en el estado tensional del macizo, (aparte del relieve, las propiedades físico-mecánicas de las rocas y los elementos de yacencia). Todos ellos, se deben analizar pues una vez extraído el mineral, las rocas que circundan el macizo comienzan a descender desmoronándose ocupando el espacio laboreado. Este hundimiento y bajo determinadas condiciones puede afectar la superficie. La profundidad de explotación segura cuando el movimiento de las rocas llega hasta la superficie, depende de la relación entre la profundidad de yacencia y su potencia. Esa correlación, para que la profundidad de explotación ofrezca seguridad, no debe ser menor de 200 m. Ahora bien, si la profundidad de explotación es menor que la profundidad de seguridad, entonces se formará en la superficie una depresión, circunscripta por los límites del desplazamiento del terreno denominada zona de deslizamiento. En esta zona existe otra que se destaca por la formación de grietas y un desprendimiento más intenso de las rocas. Es la denominada zona de derrumbe, Figura No.77 . Figura No.77. Esquema de dislocación de las rocas, al ser explotado el mineral. 143 �De ahí que el ángulo formado entre la horizontal y el colgante del cuerpo mineral sea el de deslizamiento por el colgante y el otro sea del yacente. El formado en la zona de derrumbe se denomina ángulo de derrumbe del colgante y yacente respectivamente. En dependencia de las condiciones de explotación estos ángulos toman valores diferentes y varía entre 30-40 grados para condiciones desfavorables de explotación y entre 70-80 grados par condiciones difíciles de explotación. Por tanto, las excavaciones de apertura deben situarse fuera de dichas zonas de deslizamiento a una distancia no menor de 20-60 m. en la práctica mundial los valores de estos ángulos oscilan en: 1- rocas de caja fuertes y estables…….55-80 grados 2- rocas blandas…………………………. 30-50 grados 3- Rocas o suelos secos…………………………….37-45 grados 4- Rocas o suelos húmedos…………………………25-37 grados 5- Rocas o suelos muy húmedos……………………20-30 grados Es importante tener en cuenta que no siempre las excavaciones mineras atraviesan un solo tipo de roca, en el caso de existir dos o más tipos litológicos cada ángulo de deslizamiento se determina capa a capa. Otra forma de conservar las edificaciones de superficie sobre mina es dejando pilares de seguridad, o sea porciones de cuerpos de mena que no serán extraídos durante la explotación minera. De estos pilares por lo general se pierde de un 4060 % de mineral. El dimensionamiento de estos pilares se realiza por métodos gráficos a partir de los ángulos de derrumbe y de deslizamiento de las rocas cuyos valores aparecen reflejados anteriormente. III.3. Clasificación de los esquemas de apertura según el tipo de excavación y su posición con respecto al cuerpo mineral. 144 ��1. 2. 3. 4. 5. Pozos verticales Por el costado yacente. Por el costado colgante. Atravesando el yacimiento. Por el yacimiento. Por el flanco del yacimiento. - Por la mena Por el rumbo - Por la roca Básicas o Simples Socavón - Por el yacente Perpendicular al rumbo - Por el colgante 1. por el costado yacente. 2. por el costado colgante. 3. por el yacimiento. 4. por el flanco del yacimiento. -Pozos inclinados rectilíneos. Excavaciones inclinadas Métodos de Apertura 1. rectilíneos. 2. en zig – zag. 3. en espiral. 4. combinada -Rampas principales Combinadas 1. pozos verticales en la superficie y pozo ciego vertical en las profundidades. 2. pozo vertical en la superficie y pozo ciego inclinado en las profundidades. 3. socavón en la superficie y pozo ciego vertical en las profundidades. 4. Otras combinaciones. Ídem 1. todos por el yacente. 2. todos por el colgante. 3. por ambos lados. Ídem Figura 78. Clasificación de los métodos de apertura. 146 ��Métodos de apertura básicos o simple: Formados por una excavación principal de apertura en los niveles superiores de la mina. Métodos de apertura combinados: Constituidos por dos o más excavaciones principales de apertura. Una en los niveles superiores de la mina y otra en los niveles inferiores.  Apertura por pozo vertical. Estos esquemas se aplican hasta profundidades de 1200 – 1400m., en yacimientos con buzamientos de 0° a 10° y mayores de 30° cuando el relieve de la superficie de la tierra es poco accidentado. a) El esquema de pozo vertical por el costado yacente es el mas utilizado en la práctica mundial, el resto de los esquemas se utiliza cuando factores geomineros o topográficos así lo exigen. Figura No. 79. Apertura por pozo vertical: 1, pozo de mina a) por el costado yacente, b) por el colgante, c) que atraviesa el yacimiento; 2, cortaveta; 3, galería; 4, límite de la zona de dislocación; 5, pozo auxiliar; 6, pilar de seguridad. 148 �Figura No.80. Variante de apertura por pozo vertical: 1, pozo en el costado yacente; 2, pozo ene le costado colgante; 3, pozo por el yacimiento; α1, ángulo de equilibrio natural en los aluviones, α2 , ángulo de equilibrio natural de las rocas. Sus dos grandes ventajas son: 1.- las presiones mineras, que surgen como consecuencia de la explotación del yacimiento, se manifiestan con menores intensidades el costado yacente por lo que los costos de laboreo y mantenimiento de las excavaciones de apertura son mínimas. 2.- No quedan reservas de menas en el pilar de seguridad del pozo. Su mayor desventaja es la necesidad de excavar galerías transversales más largas, a medida que se profundiza el pozo. b) El esquema de pozo vertical por el colgante se aplica cuando la topografía del terreno, o la presencia de rocas muy inestable, o condiciones hidrogeológicas difíciles nos impiden cavar el pozo por el costado yacente. Sus desventajas son: 149 �1. La gran longitud de de sus galerías transversales. 2. La necesidad de dejar pilares de seguridad de mineral cuando el pozo se excava dentro de los límites de la zona de deslizamiento. El esquema de pozo vertical atravesando el yacimiento tiene la gran ventaja, sobre los dos esquemas anteriores, de que la sumatoria de las longitudes de sus galerías transversales es menor y de que el costo de transporte horizontal subterráneo, cuando el pozo se ubica en el centro de masa del yacimiento, se hace mínimo. Tiene la desventaja de que el pilar de seguridad del pozo inmoviliza una cantidad considerable de reservas melíferas. Por su desventaja se aplica, solo en yacimientos de menas pobres, o poco valiosas que sean poco potentes y tengan una gran extensión por el rumbo. c) El esquema de pozo vertical por el yacimiento se utiliza cuando las condiciones de inestabilidad de las rocas de caja aconsejan excavar el pozo por la mena o cuando la morfología del yacimiento no nos deja otra alternativa. Debido a las grandes perdidas de mena, que se producen en el pilar de seguridad, se usa muy raras veces y preferentemente en yacimientos abruptos, de pequeña potencia que se encuentran a poca profundidad y están muy poco explorados. d) La apertura del pozo vertical por el flanco vertical resulta racional en yacimientos abruptos de poca longitud por el rumbo, cuando no es posible situar el pozo en el costado yacente. Resulta más ventajoso cuando el sentido del transporte subterráneo coincide con el de superficie. Se puede aplicar, también, en yacimientos horizontales de menas ricas o valiosas cuando se quieren evitar perdidas de mena en el pilar de seguridad del pozo. En este caso la longitud de la galería maestra aumenta.  Apertura por pozo inclinado. El gran desarrollo experimentado en las últimas décadas por el método de apertura por pozo inclinado obliga a subdividirlos en dos grandes grupos, los esquemas que utilizan pozos inclinados rectilíneos y los que utilizan pozos 150 �inclinados en espiral o en zig-zag conocidos en muchos países con el nombre de apertura por rampas. Figura No.81. Apertura por pozo inclinado: pozo de mina; 2, cortaveta; 3, galería; 4, límite de la zona de destrucción. El primer grupo se aplica en yacimientos regulares con ángulo de buzamiento entre 10 grados y 30 grados que yacen hasta profundidades de 500-600 m. La inclinación de estos pozos puede llegar hasta 45-50 grados; cuando su ángulo de inclinación es mayor a 18 la extracción se realiza mediante jaula o skips y cuando es menor a 18° la extracción puede realizarse también mediante bandas transportadoras o camiones; aunque existen bandas transportadoras especiales que pueden utilizarse en pendientes hasta 25°. El segundo grupo se puede aplicar tanto en yacimiento regulares como irregulares, con cualquier ángulo de buzamiento y en profundidades mayores de 600 m (es bueno aclarar que los ingenieros checos Zamora y Pokorny han calculado que para yacimientos con menos de 1 millón de toneladas de reserva de explotación, la profundidad máxima en que se pueden aplicar racionalmente las rampas es de alrededor de 470 m). Estos pozos no sobrepasan la pendiente del 10 % por cuanto su finalidad, precisamente, es permitir que la extracción de la mena se realice por transporte automotor o por bandas transportadoras. Veamos, ahora, los esquemas del grupo de aperturas por pozos inclinados rectilíneos: 151 �a) El esquema del pozo inclinado por el yacente es el de mayor difusión por las mismas razones señaladas en el esquema de pozo vertical por el yacente. b) El pozo inclinado por el colgante se recomienda cuando el yacimiento es horizontal y tiene gran extensión, o cuando el relieve u otros factores geomineros nos impiden excavar el pozo por el yacente. además de que se aumentan las perdidas de mena en el pilar de seguridad del pozo tiene la desventaja de lo complejos que resultan los empalmes del pozo con las galerías transversales. c) La apertura por pozos inclinados por el yacimiento se aplica raras veces por lo general cuando el yacimiento es grande y las menas son pobres o poco valiosas o cuando se quiere iniciar la producción de la mina lo mas rápido posible. También se aplica cuando tiene lugar el paso de la explotación a cielo abierto a la subterránea, donde el pozo inclinado pasa a ser una continuación de la trinchera de apertura. Señalamos que la gran estabilidad de la mena es un factor que influye a favor de la elección de este esquema. d) La apertura por pozos inclinados en unos de los flancos del yacimiento y fuera de la zona de deslizamiento se aplica tanto en yacimientos abruptos como en horizontales, siempre de poca profundidad y extensión por el rumbo. Tiene como ventajas, la ausencia de perdidas de mena en el pilar del pozo y la posibilidad de reducir la longitud del pozo inclinado al poder proyectar con ángulos de inclinación mayores. Como el transporte subterráneo de la mena se realiza todo en el mismo sentido, este hecho puede convertirse en una desventaja del esquema si este sentido no coincide con la ubicación de la planta de beneficio. 152 �Figura No.82. Variante de apertura con pozo inclinado:1, pozo en el costado yacente; 2, pozo por el yacimiento; α, ángulo de equilibrio natural de las rocas. Clasificar los esquemas de apertura por rampas resulta hasta el momento, algo controvertido por cuanto los pozos en espiral pueden ocupar en una sola apertura, distintas posiciones con respecto al cuerpo mineral además de que los pozos inclinados rectilíneos pueden ser considerados como rampas cuando poseen una pendiente igual o menor al 10%. Sin embargo los esquemas mas frecuentes son: pozos en zig-zag por el costado yacente o por uno de los flancos del yacimiento y pozo en espiral por el contorno “envolviendo” el cuerpo mineral, esta apertura del pozo en espiral del yacimiento de zinc se emplea en la mina Kempbell (USA) que tiene tres espiras y media y con una inclinación de 8°-10° y una longitud de 420m).  Apertura por socavones. Este método de apertura se aplica cuando el relieve es montañoso y el yacimiento se encuentra por arriba de la cota predominante en le zona (o por arriba de la cota de la planta de beneficio). 153 �Tiene la ventaja sobre otros métodos de que el transporte subterráneo se simplifica y que el desagüe de la mina se realiza por gravedad. Su desventaja es lo limitado de su aplicación: solo para la apertura de yacimientos de montaña. De acuerdo con la topografía del lugar y a las condiciones de yacencia del yacimiento los esquemas de apertura pueden ser: • Socavón transversal al rumbo (por el colgante, por el yacente). • Socavón por el rumbo (por la mena y por la roca). Los socavones transversales al rumbo se aplican generalmente cuando el yacimiento está formado por paquetes de filones,lo que posibilita una mejor exploración geológica. El socavón por el rumbo se emplea generalmente cuando el yacimiento aflora a la ladera de la montaña, adquiere la ventaja de lograrse una rápida puesta en explotación del yacimiento. La ubicación definitiva del socavón depende de las propiedades físico – mecánicas de las rocas y de la mena (por el yacente, por la rocas del colgante, por la mena), aunque en la elección del esquema influyen mucho las condiciones locales; ubicación de la planta de beneficio, facilidad en el acceso, ubicación de la fuente de energía- y de agua, volumen de roca a mover por el complejo de superficie. 154 �Figura No.83 . Apertura con socavones: 2, socavón; 2, galería de mina. Figura No.84. destape por socavón con contracielo maestro; 1, socavón; 2, contracielo maestro; 3, cortaveta; 4, galería; 5, calicata de ventilación. En la apertura 1 del yacimiento Merceditas el socavón M-1 se encuentra en la roca del subyacente y se llega al lente a través del contrapozo de tránsito y de colada.  Método de apertura combinado. Existen determinadas situaciones que pueden obligar a la elección del método combinado de apertura: 155 �1. Cuando el yacimiento se extiende a gran profundidad. En este caso existen dos factores que obligan a la apertura escalonada del yacimiento. a) Factor técnico: las posibilidades técnicas del equipo de ascenso lo que se fabrican para profundidades desde 1000 hasta 1500 m. b) Factor económico: aumento de la productividad de apertura al realizarse de forma paralela el ascenso en los distintos escalones (disminución del tiempo de descenso en el vacio). 2. Cuando existen cambios bruscos en el buzamiento del yacimiento o se invierte. a) Factor económico: se reduce sensiblemente la galería transversal. 3. Cuando los yacimientos de montaña se extienden por debajo de la cota predominante. a. Factor técnico: imposibilidad de extraer las reservas de los niveles inferiores mediante el socavón. 4. cuando varían las condiciones de estabilidad o hidrogeológicas de las rocas por las que atraviesa el pozo. En estos casos se crean 2 o 3 escalones de apertura por las siguientes razones: 1. Para disminuir los tiempos de ascenso y descenso de los recipientes que extraen la masa menífera de los niveles inferiores lo que conlleva al aumento de la productividad de la excavación principal de apertura. 2. Por limitaciones técnicas de la instalación de ascenso resulta obvio lo racional que seria fabricar un cable con el diámetro requerido para soportar, además de las cargas normales, la carga de su propio peso cuando penda de 2.5 a 3 Km. Seria considerable también, las dimensiones de la tambora del guinche principal, así como la potencia del motor del guinche. 3. Cuando un yacimiento de montaña se extiende por debajo de la cota predominante de la región. En este caso, la apertura de las reservas que se encuentran por arriba de la cota predominante se realiza por el método por 156 �socavón, con sus consiguientes ventajas y las reservas por debajo del socavón se extraen a través de un pozo interior vertical o inclinado. 4. Cuando las condiciones de estabilidad o hidrogeológicas son difíciles. Estas circunstancias pueden ser conocidas de antemano o aparecer de improviso. En todos los casos se analizaría siempre la conveniencia o no de seguir profundizando por un método especial de laboreo. 5. Otros factores.. Figura No.85. Métodos de apertura combinados 157 �Figura No.86. Apertura de un yacimiento de fuerte buzamiento por grupos de cortavetas 1 y 2, cortavetas; 3, 6,contrapozo; 7, pozo ciego. III.3.1.- Evaluación comparativa de los métodos de apertura. Pozo vertical vs. Pozo inclinado - A igual profundidad de yacencia, la longitud de los pozos verticales es menor. - Para igual producción anual de la mina, el área de la sección transversal de los pozos verticales es menor. - El costo de laboreo de los pozos verticales es de un 20 a un 30 % menor. - El costo de explotación de los pozos verticales es de un 15 a un 30 % menor - La velocidad de ascenso por los pozos verticales es mayor. - Las instalaciones de ascenso de los pozos verticales son más seguras. - Los empalmes de las galerías con los pozos verticales son mas sencillas y fáciles de construir. - La sumatoria de las longitudes de las galerías transversales es menor en los pozos inclinados y por lo tanto son menores los costos del transporte horizontal subterráneo. 158 �- Al instalarse bandas transportadoras en los pozos inclinados y rampas se elimina la marcha en vació de los recipientes de ascenso elevándose la productividad por arriba de la de los pozos verticales. - La instalación de las bandas transportadoras en las rampas permita la automatización y el control a distancia del ascenso de la masa menífera con la consiguiente reducción del personal bajo mina. - Las rampas permiten el empleo de camiones para el ascenso de la masa menífera lo que brinda grandes ventajas económicas por la flexibilidad que posee ese medio de transporte y por lo barato y fácil que resulta construir y mantener su infraestructura. Pozo vertical vs socavón. - El costo de laboreo de un metro lineal de socavón es de 5 – 6 veces más barato, a igual producción anual de la mina. - La velocidad de laboreo del socavón es considerablemente mayor. - El transporte por el socavón es mas efectivo, seguro y con menos interrupciones. - Cuando se usan locomotoras eléctricas en el socavón el gasto especifico del transporte de la masa menífera es de 6 – 8 veces menor. - En la apertura por socavón el drenaje y desagüe del campo de mina se realiza por gravedad. - En la apertura por socavón las inversiones iniciales son mínimas. - Las condiciones de aplicación de la apertura por socavón están limitadas a la existencia de yacimientos de montañas que se encuentra por arriba de la cota predominante de la región. III.4. NOCIONES FUNDAMENTALES DE LA PREPARACIÓN SUBTERRÁNEA. La preparación del yacimiento para las labores de arranque se caracteriza por: 159 �♦ El método de preparación, es decir, por el tipo, número y disposición de las excavaciones preparatorias. ♦ El volumen de las labores de preparación. El método de preparación a emplear depende de las condiciones geólogo – mineras del yacimiento y de las condiciones técnico – económicas de la mina. En las primeras están: potencia, ángulo de buzamiento, estabilidad de las rocas de caja y de la mena, profundidad de yacencia, condiciones tectónicas, necesidad de desagüe y de exploración adicional. En la segunda están: productividad planificada de la mina, tipos de equipos utilizados, plazo de servicio de las excavaciones, condiciones de ventilación, valor de la mena. Requisitos que se les plantean a los esquemas de preparación. ♦ Brindar la mayor seguridad a los trabajos de carga y de transporte de la masa menífera. ♦ Asegurar el volumen necesario de aire para los frentes de extracción y al mismo tiempo posibilita la ejecución de medidas profilácticas para aislar el sector en caso de incendio, esto ultimo cuándo se laborean menas autoinflamables. ♦ Garantizar en tiempo las normas de adelanto de las reservas preparadas y listas con relación al arranque. ♦ Garantizar la productividad planificado del nivel o bloque. ♦ Brindar la posibilidad de aplicación, y uso efectivo de la mecanización y automatización de la carga y transporte. ♦ Inmovilizar la menor cantidad posible de mena en los pilares de protección de las excavaciones. ♦ Satisfacer los anteriores requisitos con el volumen mínimo de excavaciones y el mínimo costo de laboreo. 160 �♦ Asegurar el transito de personal, equipos y materiales a los frente de extracción. De estos requisitos los cuatros primeros y el último tienen carácter obligatorio, el resto señalan lo óptimo, aunque a veces hay que entrar en contradicción con ellos para lograr mejores resultados. III.4.1.- Esquemas de preparación Para facilitar su clasificación, el concepto método de preparación, lo limitamos a la ubicación de las excavaciones en el horizonte de transporte. Clasificar los esquemas de preparación resulta una tarea algo difícil de resolver para su gran diversidad. Se puede decir, que en realidad cada yacimiento tiene su propio esquema de preparación. En un intento de generalización podemos establecer la siguiente clasificación a partir del tipo de excavación y del ángulo de buzamiento del yacimiento. Esquemas simples: son aquellos que están formados por un solo tipo de excavaciones de preparación. Esquemas combinados: son aquellos formados por más de un tipo de excavaciones de preparación. 161 �Tabla No. 1. Esquemas de preparación subterránea ESQUEMA DE PREPARACION 1. Con una galería de mina por la roca. 2. Con una galería de mina por el mineral. Para yacimientos 3. Con dos galerías de mina por el mineral. abruptos e inclinados 4. Con una galería de mina por la roca y otra por el mineral. Simple 1. Por una galería de mina por la roca subyacente. Para yacimientos 2. Por una galería de mina por el mineral. horizontales 3. Por una galería de mina por el mineral y otra por la roca subyacente. 1. Por una galería de mina por la roca y una serie de cruceros. Para yacimientos abruptos e inclinados 2. Por una galería de mina por el mineral y una galería de minas por la roca con una serie de cruceros. 3. Otras combinaciones. Combinados 1. Por una o más galerías de paneles y una Para yacimientos horizontales serie y una series de galerías de explotación. 2. Otras combinaciones. Volumen mínimo y costo mínimo del laboreo de las excavaciones preparatorias. ♦ Reservas mínimas de mineral en los pilares cerca de las excavaciones preparatorias. 162 �♦ Clasificación ♦ Se preparan los yacimiento de poca potencia (de 0,6 – 0,8 hasta 2m) las excavaciones preparatorias generalmente se ubican por el mineral. ♦ Se preparan los yacimientos potentes (hasta (15 – 20m) se puede situar las excavaciones en el mineral y en las rocas encajantes sobre todo cuando el contorno del cuerpo mineral es irregular. Al preparar los yacimientos de gran potencia ( más de 15 – 20 m) se pueden situar las excavaciones preparatorias principales, generalmente se sitúan en el costado yacente; las distancia entre las galerías ubicadas en las rocas y el cuerpo mineral se aumenta proporcionalmente en la profundidad de laboreo. La preparación en las rocas estériles en los yacimientos potentes y muy potentes es obligatorio cuándo ellos tienen a la autoinflamación. Figura No.87. Esquemas de la preparación con galería de transporte en función de la potencia. 163 �Atendiendo a estas condiciones los esquemas fundamentales de preparación son los siguientes. Para yacimientos abruptos e inclinados. Los principales índices técnicos – económicos de los trabajos de preparación son: ♦ Coeficiencia de preparación: k p K p = sumatoria l ep Q b * 1000 Donde sumatoria l ep : suma total de las longitudes de las excavaciones de preparación del bloque o nivel, m. Q b . Reservas preparadas del bloque o nivel. Significa la cantidad de metros de excavaciones de preparación que son necesarios para preparar 103t de mena. Volumen específico de preparación V p = sumatoria V ep /Q b , m3/t Donde sumatoria V ep : volumen total de la excavación de preparación, m3 significa la cantidad de m3 de excavaciones de preparación que hay que laborear 1t de mena. Lógicamente mientras menor sea el valor de estos coeficiente, serán menores los gastos específicos de los trabajos de preparación. El valor específico de los gastos totales de preparación. C t =( sumatoria C lyc – C p ): Q b /1-q C p : Valor de la extació de pozo Condiciones de aplicación de los esquemas de preparación. ♦ Para yacimientos finos y muy finos de 0,2 hasta 2,5 – 3m de cualquier buzamiento por lo general se aplica el esquema de galería de mina por el mineral, sirven también de explotación geológica. 164 �♦ Para yacimiento de potencia media y potencia hasta 15 – 20m usa el anterior esquema, disponiendo por lo general la galería de mina por el contacto estéril mineral del costado yacente, y raras veces por el colgante. Esas excavaciones sirven para la exploración geológica. ♦ En los yacimientos muy potentes menores 25m se hace muy difícil el transporte de la masa menífera desde todos los sectores del bloque por lo que se usa el esquema combinado de una galería de mina con una serie de cruceros. La selección del esquema es frecuentemente una tarea técnico – económica muy complicada, mientras que la selección del lugar de ubicación de los contra pozos no exigen grandes dificultades y como regla está unida con las excavaciones del horizonte principal. Los esquemas posibles de la ubicación del horizonte principal se planifican en cada caso concreto debido a las condiciones geomineras y a las condiciones técnicas del laboreo de los yacimientos. Exigencia planteada a los esquemas de preparación. 1. Seguridad de las labores durante la carga y el transporte del mineral, la ventilación necesaria de las excavaciones de arranque, posibilidad de ejecución de las medidas profilácticas y cuándo es necesario aislar el sector de incendios, al laborear menos sulfurosos que se auto inflaman. 2. Preparación a tiempo de la reservas de mineral para el arranque, garantía de la cantidad necesaria de minerales preparados u listos para el arranque. 3. Obtención de la productividad del trabajo planificada. 4. Posibilidad de la aplicación y uso efectivo de la mecanización y automatización de la carga y el transporte. Si durante la elección del esquema de preparación para los factores técnicos nos quedamos con varias variantes de esquemas de ubicación de las excavaciones se realiza la comparación económica por los índices mayores. En este caso se toma en consideración. 165 �♦ El costo de laboreo de las excavaciones preparatorias. ♦ El costo de transporte del mineral hasta la galería transversal principal. ♦ En algunos casos el costo de ventilación de las excavaciones preparatorias. ♦ Valor obtenido por venta del mineral extraído durante el laboreo de las excavaciones principales. El valor específico de los gastos totales de extracción. A=( sumatoria C i – C b ): Q i R/1-P Donde: Sumatoria de C i suma de gastos de laboreo de excavaciones preparatorias, transporte a la galería transversal de la ventilación. C b : valor obtenido por la venta de la extracción de pozo. El estudio de las excavaciones de costo que forman parte de este proceso tecnológico las estudiaremos, en los diferentes métodos de explotación dado su gran variedad y particularidades por lo que hoy solo los nombraremos. ♦ Pequeros ♦ Tolvas ♦ Ranura de costa: vertical, horizontal ♦ Trincheras de costa Requisitos que se les exige a las excavaciones de preparación. 1. Brindar seguridad al trabajo durante el acarreo, la carga y el transporte de la masa menífera. 2. Permitir el paso de la cantidad de aire necesaria a los frentes de trabajo. 3. Posibilitar la ejecución de medidas profilácticas y de aislamiento del sector en explotación en caso de incendio cuándo se laborean menas sulfurosas que se auto combustionan ( cuerpo 70 minas de Matahambres) 4. Garantizar a tiempo la cantidad de reservas preparadas y reservas listas. 166 �5. Asegurar la productividad y la intensidad del arranque planificada para el sector a explotar. 6. Posibilitan la aplicación y uso adecuado de la mecanización y automatización de la carga y transporte de la masa menífera. 7. Atar el mínimo de mena a los pilares de protección de esas excavaciones 8. Favorecer la exploración geológica y el drenaje del sector. 9. Volumen mínimo y costo mínimo. III.4.2.- Elección del esquema de preparación. Es de significar que el planteamiento de está tarea se refiere siempre al esquema de preparación del horizonte de transporte, pues el resto de la preparación está relacionada con el Método de explotación elegido y los factores geólogo – minero existentes, que hace que muchos autores expresen que; “cada mina tiene su propio esquema de preparación”. Los factores que influyen en la elección del o los esquemas técnicamente posible de aplicar son: ♦ Elementos de yacencia del cuerpo de mena, principalmente su buzamiento y su potencia. ♦ Las propiedades físico – mecánicas de la mena y de las rocas de cajas, principalmente su fortaleza y estabilidad. ♦ Por el esquema de salida y de carga de la masa menífera. (Este factor pudiera enunciarse de otra forma, por el Método de explotación elegido). ♦ Por la producción planificada por el horizonte de transporte. ♦ Por el esquema de ventilación y el orden de laboreo del nivel adoptado. ♦ Otros. 167 �Generalidades. Se le llama preparación en la explotación subterránea, al conjunto de trabajos y excavaciones que dividen al campo de mina en sectores más pequeños para su explotación. ♦ Cuando los yacimientos son abruptos e inclinados el campo de mina se divide en niveles y estos en bloques. ♦ Cuando son horizontales o poco inclinados el campo de mina se dividen en paneles y estos en pilares de explotación. En el primer caso las excavaciones de preparación son: galerías longitudinales de transporte y de ventilación, cruceros, cortavetas y contrapozos. Hay un grupo de excavaciones especiales de preparación y que generalmente pertenecen a la preparación de un determinado Método de explotación y que se denominan excavaciones de corte y que tienen la finalidad de crear las condiciones para el arranque masivo de la mena. Estos son entre otros: galería de corte, ranuras de corte horizontal, ranura de corte vertical, horizontes de salida de la mena o de fragmentación secundaria, galerías de subnivel, piquera, tolvas, embudos. En el segundo de los casos la excavación de preparación son: galerías de paneles, galería de explotación, recortes. Los propósitos de estás excavaciones son: ♦ Permitir el acarreo y carga de la masa menífera desde los frentes de arranque hasta el horizonte de transporte. ♦ Brindar acceso a los frentes de trabajo en los sectores de explotación de personal, equipos y materiales. ♦ Conducir el aire fresco a los frentes y permitir la salida del aire viciado. ♦ Exploración geológica: acopiar mayor información geológica del sector a explotar. ♦ Otros propósitos. 168 �Hasta aquí se han tratado los esquemas de apertura y preparación de los yacimientos metalíferos, analizando los principales esquemas de preparación, así como los principales factores que se toman a la hora de elegir el esquema de preparación más racional desde el punto de vista técnico y económico. III.5.- Elección del Método de Explotación por el modo subterráneo. En la literatura minera universal existe un gran número de Métodos de Explotación (ME) o Sistemas de Explotación agrupados según diferentes criterios. Se denomina Métodos de Explotación Subterránea. al conjunto de excavaciones de preparación y corte, así como los procesos tecnológicos (trabajos de arranque) que se realizan en un orden lógico en tiempo y espacio para arrancar la mena de un sector del campo de mina en cantidades masivas y de la forma más segura, económica y completa. Se analizara en el presente acápite la clasificación de los métodos de explotación dada por M. Agoshkov (Rusia) y la clasificación Norteamérica, ambas utilizadas mundialmente. La clasificación dada por M. Agoshkov es una de las Clasificaciones más completas y requiere de un profundo análisis y estudio para su comprensión. Independientemente de la Clasificación que adopte para el estudio de los Métodos de Explotación, el ingeniero de minas siempre debe tomar decisiones las cuales inciden directa o indirectamente en los resultados finales de la explotación minera. Una de estas decisiones es la Selección del (o los) Método o Variantes de Explotación para cada lugar o para todo el yacimiento que se vaya a explotar. Esta etapa es de vital importancia para el desarrollo y explotación de la mina. De su correcta aplicación dependen los trabajos posteriores de cada parte del yacimiento que se explota y por ende la explotación racional de la mina en toda su vida útil. Para seleccionar un Método de Explotación es preciso primeramente, dominar los factores geomineros que influyen directamente en dicha selección. 169 �Constantes Factores Variables - Potencia. - Angulo de buzamiento. - Estabilidad de la mena y de la roca de caja. - Forma(regular o irregular). - Longitud por el rumbo, (casi no influye). - Profundidad de yacencia. - Valor de la mena, (especialmente el contenido mínimo industrial del mineral útil). - Distribución de la mena. - Composición mineralógica de la roca de caja. - Característica del contacto estéril mineral. - Auto inflamación de la mena y de la roca de caja. - Compactación. - Condiciones hidrogeológicas. - Obras o edificaciones en la superficie. - Nivel de la escavabilidad. - Demografía. - Presencia de bosques. Figura No 88. Factores ingeniero-geológicos y técnico-mineros, que influyen en la elección del método de explotación: 170 �Índices que influyen en la elección de un método de explotación. Índices técnico-económicos que influyen en la elección del método de explotación. 1. Seguridad del trabajo. 2. Alta productividad. 3. Pérdidas mínimas, tanto de cantidad como de calidad. 4. Condiciones de beneficio. 5. Intensidad de laboreo. III.5.1.- Metodologías para la elección del Método de Explotación. Para la selección de los métodos de explotación se conocen dos Métodos; estos son: 1. El Método directo. 2. El método de exclusión. El método de elección directo atendiendo a cada una de las condiciones concretas de los yacimientos, se elige directamente el o los Métodos de explotación más eficientes, los cuales deben satisfacer todas o la mayoría de las exigencias establecidas. Al finalizar esta selección se realiza un análisis comparativo de las disímiles variantes posibles a utilizar a partir de diferentes índices técnico-económicos. El método de exclusión es el más difundido en la práctica mundial. Su esencia consiste en el estudio de la posibilidad de aplicación de todos los Métodos de Explotación existentes y en la exclusión de aquellos que sean inaceptables para ese yacimiento mediante la combinación de varios factores geomineros, (a veces uno de ellos es quien determina la aplicación o no de alguna Variante); es decir, ir eliminando las clases que por sus características no son utilizadas en el proyecto, de modo que se hace un estudio crítico de cada clase con sus respectivos grupos, variantes y subvariantes; y se excluye en cada caso, si no es posible su uso, 171 �queda así la clase a utilizar, luego el grupo y finalmente las variantes o subvariantes. A primera vista, este método resulta o parece ser voluminoso y difícil, ya que exige el estudio de gran número de Métodos para quedarse finalmente con una sola variante o varias. Sin embargo, al aplicar la Metodología de dicho Método, gran parte de las Clases se van eliminado por sí solas quedándose al final con uno o dos y a veces tres variantes posibles. En síntesis la Metodología consta de los siguientes pasos: 1. Análisis de las condiciones minero - geológicas del yacimiento. 2. Exclusión de las Clases de método de explotación. que no son técnicamente posibles de aplicar. 3. De los Clases de método de explotación que se mantienen, se excluyen los Grupos de método de explotación que no son técnicamente posibles de aplicar. 4. De los Grupos de método de explotación. que se mantienen, se excluyen las Variantes de método de explotación que no son técnicamente posibles de aplicar. 5. De las Variantes de método de explotación técnicamente posibles de aplicar que se mantienen, se realiza un análisis comparativo a partir de sus índices técnico-económicos. 6. Elección de la Variante con mejores índices técnico-económicos. Se ha descrito un Método para la Selección de los Métodos de Explotación pero de los yacimientos metalíferos. Sin embargo, se conoce de Geología que existen diversos tipos de yacimientos a partir de su génesis, composición mineralógica; también existen otras clasificaciones de Métodos de Explotación para cada caso concreto, realizados a partir de las características propias de cada uno de ellos. Esta clasificación es la que se muestra a continuación,se parte en primer lugar del análisis de los factores que influyen en su clasificación: 172 �Factores geológicos y minero-técnicos de la explotación subterránea de los yacimientos estratificados que obligan a su estudio por separado. Características generales de los yacimientos estratificados. 1. Formados generalmente por capas casi horizontales con gran extensión en el plano y muy potentes. 2. Elementos de yacencias regulares; especialmente la potencia y el buzamiento. 3. Contenido de mineral constante. 4. Posibilidades de formarse mezclas explosivas durante su laboreo. 5. Presencia de gases naturales nocivos especialmente el gas metano, tan dañino para la salud humana. 6. Roca de caja de mediana estabilidad. 7. Gran cantidad de polvo, especialmente en los frentes de arranque. 8. Menas Blandas. Ejemplo: La gran extensión de estos cuerpos por el rumbo ha obligado a la utilización de Métodos de Explotación por Tajos Largos de frentes muy extensos. Esto ha brindado la posibilidad de emplear Sistemas automatizados de Fortificación mecanizada en dichos trabajos. Ejemplo de ello es el que se muestra en el Catálogo de Long Wall Systems. La Presencia de gases naturales nocivos especialmente el gas metano, tan dañino para la salud humana, obliga al empleo de Esquemas de preparación, Ventilación y transporte diferentes a los tradicionalmente utilizados en los Yacimientos Metalíferos. En estos casos se emplean las llamadas excavaciones gemelas para poder evacuar todo el polvo y gases nocivos emanados del yacimiento. La presencia de Menas Blandas obliga al empleo generalmente para la separación de la mena del macizo de Combinadas de laboreo, hidromonitores u otros 173 �métodos especiales de laboreo. Estos trabajos se realizan con un mayor grado de automatización, mecanización ,que en los yacimientos metalíferos. La presencia de yacimientos muy potentes de este tipo, obliga a arrancarlos por capas de manera tal que se crean las condiciones en cada capa como si cada capa fuera un yacimiento independiente. La presencia de rocas de caja inestable o medianamente estable, obliga en estos casos al empleo de Métodos de Explotación de Derrumbe de la roca del techo o de Relleno. Entre las Clasificaciones de Métodos de Explotación más difundidas a nivel mundial para estos tipos de yacimientos se conoce la del académico L. Sheviakov, que agrupa los Métodos de Explotación de la siguiente manera. Clasificación de los métodos de explotación más característicos: 1. Métodos de explotación por tajos largos, 2. Métodos de explotación por pilares largos, 3. Métodos de explotación por pilares cortos, 4. Métodos de explotación por cámaras, 5. Métodos de explotación por capas derrumbadas, 6. Métodos de explotación por capas rellenas. Es preciso señalar que los primeros Métodos de Explotación se refieren a los yacimientos de potencias medias y potentes y los dos últimos grupos se refieren a los yacimientos muy potentes. III.5.2.- Clasificación de los Métodos o Sistemas de Explotación para yacimientos metalíferos dados por M. Agoshkov. La existencia en la naturaleza de yacimientos con características similares ha provocado que para mejor estudio estos, se hayan agrupado entre sí atendiendo a sus caracteres de similitud, estos Métodos de explotación se han agrupado en clases determinadas. 174 �La clasificación que se muestra es la propuesta por el académico ruso. M Agoshkov. El principio de acción fundamental de esta clasificación está dada por la forma en que se controla la presión minera en el frente. Tabla No.2. Clasificación de los métodos o Sistemas de Explotación para yacimiento metalíferos dada por M. Agoshkov . Clases Denominación de las clases de los Grupo Denominación Métodos de explotación de los grupos o variantes del M .E I M.E con la zona de arranque abierta 1 M. E por bancada. 2 M. E por testero. 3 M.E por tajos largos (frente continuo) (a partir de la forma del frente de arranque y su orden de laboreo) 4 M.E por cámaras y pilares. 5 M.E de arranque por subnivel. 6 M.E de arranque por nivel 1 II M. E. con barrenos desde el almacén. M.E con almacenamiento de la Mena. 2 M. E. con barrenos desde excavaciones espacia (a partir del M. A que se emplea a partir de la forma en que se forman. M. E. por taladros. 3 1 III Por capas horizontales. M.E con relleno del minado antiguo 2 Por capas inclinadas. (atibado) desde fuentes internas o 3 externas a partir del tipo explotación. 4 Por testeros. Por tajos largos. 175 �1 Con fortificación de madera apuntalada. IV M.E con fortificación del minado antiguo 2 Con fortificación de madera (entibado). cuadricular. Con fortificación de piedra. 3 M.E con fortificación y relleno del 1 V minado antiguo. 2 (a partir del orden de laboreo del frente 3 de A en el bloque. 1 VI Por bloques cortos. Por derrumbe por capas horizontales. (a partir del ángulo de buzamiento y 2 Por pilares con derrumbe estructura del frente. de la roca del techo. Por derrumbe por subnivel. M.E con derrumbe de la Mena y la roca 2 Con de caja. nivel. 3 auto derrumbe del (a partir de la forma en que se produce Con derrumbe forzoso del el derrumbe). nivel. 1 VIII Por testeros. M.E con derrumbe de la roca de caja 1 VII Por capas horizontales. Por cámaras abiertas. M.E combinados a partir de la forma en 2 Por cámaras almacenadas. que se arranca la cámara. Por cámaras rellenas. 3 176 �III.5.3.- Clasificación de los métodos o sistemas de explotación para yacimientos metalíferos dada por la clasificación Norteamérica. (M.L. Jeremic). Tabla No. 3. Clasificación de los métodos o sistemas de explotación para yacimientos metalíferos dada por la clasificación Norteamérica. (M.L. Jeremic). clases Denominación de la clase de Grupo Variantes los Método de explotación I Sistema de explotación con la 1 zona de arranque abierta (Open – Stop Mining Methods)  Arranque por subnivel. (sub – level - stoping). 2  Arranque por taladros largos. (large – diameter blasthole Stoping). II Autosostenimiento del frente de arranque. Self – supporting ability of open – stope span. III Estructuras de sostenimiento 1 artificial en frentes de arranque. (artificially supported  Fortificación de Madera cuadricular. (Supported by stope 2 structure) timber (square set methods). 3 4  Almacenamiento de la mena. Almacenamiento). (Supported by broken ore (shrinkage methods).  Fortificación por relleno (corte y relleno). 177 �(Supported by mine fill (cut – and- fill methods)). IV ME de derrumbe. 1 (caving and drawing methods) 2  Derrumbe por capas horizontales. (Top slicing).  Derrumbe por subnivel. 3 (sub – level caving).  Derrumbe por nivel. (block caving). V Combined open / filled 1  Vertical structures. (método crater retreat stoping. combinado/Cámara 2 abierta y relleno) 3  In – the- hole drill stoping.  post - pillar stoping. Estas clasificaciones se diferencias entre sí por la forma en que son agrupados por los diferentes autores, pero el principio de arranque del mineral es el mismo. Orden del estudio de los sistemas de laboreo. El estudio de cada sistema comprende: 1-Investigación de las condiciones, las cuales favorecen a un sistema dado. 2- Descripción de una variante típica del sistema y de las operaciones principales de producción durante la ejecución del arranque. 3- Descripción de las variantes esenciales del sistema. 4- características técnica- económica del sistema y sus ventajas en comparación con los otros sistemas que son análogos según condiciones de empleo. Condiciones del empleo de los sistemas de laboreo. Para todos los sistemas del laboreo existen ciertas condiciones cuyo empleo da mayores resultados en comparación con otros sistemas. El campo de aplicación de cualquier sistema de laboreo se determina por los siguientes factores: 1- Forma, potencia y ángulo de buzamiento del cuerpo mineral. 178 �2- las propiedades Físico- mecánicas de los minerales y de las rocas laterales y el carácter del contacto del cuerpo mineralizado con las rocas.. 3- El valor de los minerales, los componentes de la Mena. 4- Infracciones geológicas y subexcavación de las rocas por agua. 5- Condiciones locales: presencia y costo de materiales para la fortificación y el relleno, posibilidades de derrumbar las rocas. Características técnico- económicas de los Método de explotación 1) Seguridad – accidentes morales / año. - “ graves / año. - “ leves / año. 2) Productividad – prod / hombre- turno. “ / mes. 3) Costo de producción de una tonelada, $ / t. - Gastos principales por concepto de preparación; corte y arranque. 4) Pérdida y empobrecimiento de la Mena; %. 5) Intensidad de laboreo; m/ tiempo. 6) Flexibilidad y sencillez. Factores que influyen en la elección del Método de explotación. 1) Elementos de yacencia – ángulo de buzamiento – Potencia. 2) Propiedades físicas y mecánicas de la roca y de caja y la Mena. 3) Geomorfología del yacimiento. 4) Valor de la Mena. 5) Geología – dislocación - hidrología. - intercalaciones de estéril - compactación, autoxidacción 6) factores locales. - presencia de bosques. - demografía. 179 �III.6.- Ejemplos de algunos Métodos de explotación subterránea. A continuación se exponen algunos ejemplos de los métodos de explotación de la clase I (sistema de explotación con la zona de arranque abierta) y clase VII (sistema de explotación con derrumbe de la Mena y la roca de caja). Ejemplos de la Clase I. M .E con la zona de arranque abierta. Esta clase se caracteriza porque durante las labores de arranque en el bloque el minado antiguo se encuentra libre sin rellenarse, ni entibarse. A veces se usan elementos de fortificación sólo de una forma auxiliar y /o temporal. Las rocas de caja están sostenidas por pilares de mena que por lo general son los mismos pilares de protección de las excavaciones de preparación del bloque, o otras veces son pilares de sostenimiento de Mena o de intercalaciones de estériles que se abandonan en el minado antiguo. Condiciones de aplicación de la clase. 1) Menas y rocas muy estables. (Esta es una característica imprescindible) 2) Elementos de yacencia regulares. 3) Profundidad de yacencia hasta 800m. Clase I, Grupo 1. M .E. por bancada. Esencia: Consiste en el arranque del bloque por capaz horizontales en calderillas (de arriba hacia abajo). En dicho arranque el frente adopta una forma escalonada; es decir en bancos iguales que en una cantera de donde viene su nombre. Condiciones de aplicación: 1) Se usa cuando la Mena es algo inestable y el cuerpo mineral es de potencia y ángulo de buzamiento abrupto. 2) Las rocas de caja deben ser muy estables. 3) En la actualidad este método se aplica poco debido a lo costoso laborioso que resulta el arranque de la Mena. Principales variantes de este grupo: 180 �A – M .E sin galería inferior de transporte. B - M. E con galería inferior de transporte. C - M. E con el frente en forma de embudo. Variante A: condiciones de aplicación. Es la más dificultosa en cuanto a los procesos tecnológicos del arranque y se aplica especialmente en aquellos yacimientos cuando por debajo del último horizonte de la mina aparece un balsón o pequeño cuerpo de Mena que se extiende a unos 20- 30 m por debajo de ese último horizonte y no resulta nacional desde el punto de vista económico excavar un nuevo horizonte de la mina. Los escalones son de 1,5 – 3 m (en dependencia de la perforadora y de la seguridad, el ancho. La nueva arrancada se sube al otro escalón a pala. La perforación puede ser con barrenos horizontales o verticales. Otra forma de ascender la Mena es a través de una tina colocándola así: Arranque: En el centro del bloque y en el piso de la galería de transporte se construye un contrapozo de corte del que se laboran las etapas I de 2- 3 m de profundidad, luego a D – I del pozo y por toda la potencia del cuerpo se hace el arranque de los sectores (1.1) en la primera capa con perforación manual descendiente y con una longitud de 2- 3 m. Luego se profundiza una nueva etapa del contrapozo II y se arranca del primer banco los sectores (2,2) y del 2 do banco (2- 2) y así hasta arrancar todo el mineral. Arrastre: Se realiza paleando la Mena de escalón a esa con hasta la G- J o usando una tina que se haga por el pozo mediante un winche. Los obreros por lo general trabajan en plataforma de madera que se instalan sobre apoyos incados en las rocas laterales y a veces trabajan en su propio escalón desplazándose por escaleras de maderas. Reglas de seguridad. 1-Prohibido hacer un paralelo los trabajos de perforación y arrastre en el bloque. 181 �2- Los obreros deben trabajar con cinturones de seguridad y demás equipos de protección física. Consideraciones finales: 1-Es indispensable que la roca de caja sea muy fuerte y muy estable (de lo contrario no se puede aplicar esta variante). 2- Al usarse tina para el arrastre hay que llevar el pozo de la Gt superior hasta el pozo de corte. M-N A-A A M 4 B B B B 3 2 1 B 1 2 3 4 3’ 2 B 2 3’ 4 4 3 B 3 4 4’ B 4’ 4 B5 B5 N A Figura No.89. V Sistema de escalones descendentes sin galería inferior de transporte Variante: M. E con galería inferior de transporte. Trabajos de perforación y corte. 182 �Una galería de transporte inferior 1 y una de ventilación 3 amabas por la potencia del cuerpo de Mena y un contra pozo central 2 la altura del bloque es de 20- 30 y su largo de 50 – 60 m Dividiéndose en 2 planos de 20 – 30 m. Arranque: El arranque se realiza por capaz horizontales en calderillas, iniciándose el arranque de cada capa, desde el pozo central. Como las capas superiores van adelantadas de 1,5 – 2m con relación a la capa inferior (inmediato) el frente ha comparado las bancadas de altura de 1,5 – 3 m y un ángulo de inclinación de 600. La separación de la Mena se hace por martillos neumáticos o por perforadoras manuales desde las plataformas de trabajo. 1-disponiéndose los bancos de forma inclinada. El arrastre se realiza paleando la masa menífera hacia el pozo central aunque una buena parte de esta masa por gravedad al aplicar voladura de lanzamiento y chocar los pedazos con el hastial intocado del pozo central. Esta es la razón por la cual los flancos del bloque no se laborean al unísono si no sucesivo. Cuando se laborea la última etapa del flanco, es decir, cuando el arranque se hace en la galería inferior de transporte, a medida que avanza la bancada se va construyendo un techo continuo de madera con piquera “china” que laboren la evacuación de la Mena. 183 �2-3 70 - 80° 1.5 - 2 20 30 20 - 30 Figura No.90. Sistema de escalones descendentes con galería inferior de transporte Clase I, Grupo 3, M .E por tajos largos (frente contínuo). Esencia: Este M se caracteriza por poseer un frente de arranque en forma rectilínea o poco sinuosa que se extiende por toda la altura inclinada o por toda la longitud del bloque; según se disponga por el rumbo o por el buzamiento. Dicho frente se desarrolla o bien por el buzamiento o bien por el rumbo; muy raras veces se disponen en otra dirección; se denomina “tajos largos”. Se desarrollan de forma continúa por lo que estos métodos se conocen también con el nombre de “F. Continúo”. Las rocas de caja se sostienen por pilares . que aparecen dispuestos desordenadamente en el minado antiguo. (Estos pilares se abandonan en aquellas zonas donde el mineral es de baja ley o existan intercalaciones de rocas estériles. Otra forma de sostenimiento es entibado artificial como caravanas y estemples. En muchas variantes las rocas se sostienen mediante pilares de protección de las excavaciones de preparación del bloque (lo usual). 184 �El perfil transversal de los tajos largos es rectilíneo en los yacimientos finos y rectilíneos o escalonados en los yacimientos potentes. Condiciones de aplicación: 1) Generalmente estos M. E se utilizan en yacimientos poco inclinados u horizontales y raras veces en yacimientos inclinados. 2) M ≈ 1,2- 4m y excepcionalmente en m ≈ 7- 10m. 3) Condición necesaria presencia de rocas suprayacentes muy fuertes y estables, cuando la potencia es fina, de poco valor; pues existe la necesidad de dejar pilares en el minado antiguo. M .E. Tajos Largos por el rumbo (para cuerpos minerales poco potentes). Esencia: El frente de trabajo se dispone por el buzamiento y se desplaza por el rumbo. Condiciones de aplicación: 1) ángulo de buzamiento = 0-400. 2) Potencias de 1,5 – 3m. 3) Rocas suprayacentes estable. 4) Mena estable y fuerte o moderadamente estable y fuerte. Trabajos de preparación y corte. Una galería de transporte 1 y una de ventilación 2 ambas por el buzamiento del cuerpo. Una galería inclinada por el buzamiento que me une 1 y 2. y conforma el tajo largo. Cuando la galería de transporte está protegida por pilares a 3-4 m, de ella se laborea la galería de corte, esta va adelante unos 8-10m del tajo. Esta excavación se realiza con el fin de unir la GT con el frente de trabajo a través de las piqueras 5. Trabajos de arranque. 185 �La separación de la Mena se realiza por perforación y explosivos con barrenos de 1,3- 1,8m que se perforan por toda la extensión del tajo. Los disparos se realizan utilizando serie de detonadores micro retardados. Generalmente el arranque se realiza por Winche Scraper colocando el Winche en unas cámaras que se construyen cada 8-10m a veces hasta 20m en el hastial contrario de la GT. Otro método es la utilización de transportadores de rastrillo en pendientes de hasta 180. En pendientes menores (100) se utilizan cargadores transportadores con buenos resultados. Figura No.91. Método de explotación con almacenamiento del mineral con extracción por tajo largo por el rumbo 186 �Figura No.92. Método de explotación con almacenamiento del mineral con extracción por tajo largo por el alza Clase I, Grupo: 4. M . E por cámaras y pilares. M .E por cámaras y pilares: Esencia: Este método se caracteriza porque las cámaras en explotación se alternen sucesivamente con pilares de mina que quedan abandonados en el minado antiguo para siempre. Las cámaras por lo general se disponen perpendicular a la galería de transporte aunque pueden situarse también con cierta inclinación con respecto a ella. Condiciones de aplicación Se emplea en yacimientos horizontales o poco inclinados con potencias que pueden variar desde 3-5 m y hasta 20m. Se usan en presencia de rocas de cajas estables y fuertes. Las Menas pueden ser de fortaleza media o tener una 187 �estabilidad relativamente baja pero si debe ser homogénea, no debe tener zonas con intercalaciones de estériles. Se prefieren potencias de 2-10m y yacen cías horizontales. Es de significar que en los últimos 15 años han aparecido variantes que permiten la utilización de cámaras y pilares con ángulo > 250y más. Clasificación Existe gran cantidad de variantes que se distinguen por la forma de arranque y el orden de su desarrollo. Variante clásica Figura No.93. M .E por cámaras y pilares: 188 �Ejemplos de la Clase VII, grupo 3, clase IV, grupo 3, Método de explotación con derrumbe. La explotación por hundimiento se basa en que tanto la roca mineralizada como la roca encajante esté fracturada bajo condiciones más o menos controladas. La extracción del mineral crea una zona de hundimiento sobre la superficie por encima del yacimiento. En consecuencia es muy importante establecer un proceso de fracturación continuo y completo, ya que las cavidades subterráneas sin sostenimiento, presentan un riesgo elevado de desplomes repentinos que originan graves efectos posteriores durante la explotación. Las características de la roca constituyen el aspecto esencial del comportamiento del mineral frente al hundimiento. Es necesario no solamente que el hundimiento ocurra, sino que además el mineral presente una granulometría adecuada. La fragmentación de la roca es provocada más que por las fatigas de tracción que por las de compresión, de modo que la tendencia será de tener mineral mejor fragmentado en el centro del bloque que en los extremos. Este tiene la ventaja de evitar la mezcla del mineral útil con el material proveniente de la roca encajante. En la explotación por Block Caving, por una parte, conviene minimizar las concentraciones de esfuerzos en el nivel de producción y pilar de protección, para mantener estables las galerías de extracción; y por otra, conviene maximizar la concentración de esfuerzos sobre el nivel de hundimiento para producir la socavación y mejorar la fragmentación del mineral. Los trabajos tendientes a romper la base de un bloque determinado, tienen su inicio en el diseño de la malla, la cual determinará las características del resto de las galerías componentes del sistema. La determinación de la malla depende fundamentalmente de las características de la roca. El éxito en el hundimiento de un bloque, independiente de las características de hundibilidad de la roca, depende de los factores fundamentales que son: A. La base del bloque deberá fracturarse completamente; si se quedaran pequeñas áreas sin quebrar, ellas actúan como pilar, transmitiéndose 189 �grandes presiones desde el nivel de hundimiento hacia el de producción, las que pueden llegar a romper el pilar existente entre ellos, afectando completamente la estabilidad de las galerías del nivel de producción. Esto trae consigo un aumento importante en los costos de extracción. B. La altura de socavación inicial proporcionada por la tronadura, debe ser tal que no se produzcan puntos de apoyo del bloque que impidan o afecten el proceso de socavación natural inmediata. En general, con el método Block Caving, se puede recuperar el 90% del mineral comprendido por la zona de explotación. Este coeficiente de recuperación depende principalmente de la forma en que se efectúa la extracción del primer tercio de la producción del block. Principio del método Los esfuerzos que actúan en un lugar, y a cierta profundidad de un yacimiento, tienen su origen en el peso de las rocas hasta la superficie, y en los fenómenos externos de un yacimiento, tales como: Movimientos "horizontales, debido a movimientos de placas en la corteza terrestre. Todo macizo rocoso permanece en equilibrio mientras no se cree una cavidad lo suficientemente extensa en su interior, de modo de romper el equilibrio existente, creando una redistribución de esfuerzos en su alrededor. La estabilidad de ésta cavidad dependerá de sus dimensiones, competencia de la roca y de los esfuerzos existentes en el área. Si la resistencia de la roca, no es lo suficiente para soportar el cambio de solicitación, ésta socavará hasta llenar la cavidad con material fragmentado de distintas densidades. Una vez llena la cavidad se genera una fuerza de reacción que restablece el equilibrio. Si se extrae el mineral fragmentado, a medida que se socava, el equilibrio no se restablece y la socavación continuará hasta la superficie. El Block Caving se basa en éste principio, consiste en crear una cavidad de manera que la dinámica de desplome no se detenga, extrayendo el mineral por una malla de puntos ubicados en la base del bloque 190 �El método de explotación por Block Caving se define luego, como el derrumbamiento de bloques por corte inferior, el mineral se fractura y fragmenta gracias a las tensiones internas y efecto de la gravedad. Por consiguiente se necesita un mínimo de perforación y tronadura en la extracción del mineral. La palabra bloque está referida al sistema de explotación, en que el yacimiento se divide en grandes bloques de varios miles de metros cuadrados. Cada bloque se corta por la zona inferior; es decir, se excava practicando una ranura horizontal mediante tronadura. De ésta forma queda sin apoyo el mineral que está por encima (millones de toneladas) y las fuerzas de gravedad que actúan sobre ésta masa producen una fractura sucesiva que afecta al bloque completo. Por último y debido a las tensiones de la roca, se produce la fragmentación del material, este puede extraerse por medio de piques o a través de cargadores. Campo de aplicación. Básicamente, el método de explotación Block Caving, es un sistema normalmente usado para extraer depósitos profundos, masivos, de bajas leyes en CU, Fe. Hoy en día, la producción masiva de extracción de menas subterráneas, bajo condiciones favorables, es una de las más eficientes, con bajos costos de minas. Este método se utiliza en numerosos yacimientos de grandes dimensiones; en general, yacimientos de alto tonelaje, que cubren una extensa área y son muy potentes. Usualmente, la producción está en un rango de 10.000 t - 100.000 t/ día. Su campo de aplicación es muy amplio. Se puede aplicar teóricamente en cualquier tipo de roca no demasiado resistente a la tracción y cualquiera que sean las características de la roca encajante, pero es preferible que la resistencia de la roca que se explota sea menor que la de la roca encajante. La explotación por Block Caving, es un método económico bajo condiciones favorables. El extenso trabajo de desarrollo que tal explotación conlleva y el tiempo que se emplea hasta alcanzar la plena capacidad de producción, son los 191 �inconvenientes de partida. Por otra parte existen ciertos riesgos de derrumbamientos y fragmentación, que están fuera de los controles de minería. En general, los yacimientos más favorables para la aplicación del método de hundimiento por bloques son los grandes intrusivos de cobre porfirico, yacimientos de hierro, tanto sedimentarios como intrusivos. Estos depósitos deberán estar ubicados a gran profundidad y deberán ser extraídos a costos inferiores que por un método a cielo abierto. Los depósitos deben tener grandes reservas, cubrir un área extensa y tener una altura relativamente grande. La mayoría de estos depósitos se explotan a gran escala durante un periodo bastante largo, de tal forma que justifiquen la gran inversión requerida para ponerlos en producción. El primer caso, o sea, la formación de pilares, se evita con un adecuado diseño de perforación y, especialmente, con un correcto cargue de los tiros. En todo caso, si se verifica la existencia de un pilar, se interrumpe la etapa de hundimiento, concentrando las actividades en eliminarlo completamente, para poder continuar con la secuencia de "quemadas". En el segundo caso, para evitar los posibles puntos de apoyo del bloque, una vez tronada la base, es necesario determinar previamente la altura que debe alcanzar la socavación producida por la tronadura. La extracción en cada punto debe ser controlada con sumo cuidado de manera de evitar contaminaciones del mineral con el estéril. El contacto mineral-estéril debe mantenerse según un plano bien definido que pueda ser horizontal o inclinado. En general, con el método Block Caving, se puede recuperar el 90% del mineral comprendido por la zona de explotación. Este coeficiente de recuperación depende principaimente de la forma en que se efectúa la extracción del primer tercio de la producción del block. Método Block Caving Extracción Gravitacional Esta variante del método de explotación es aplicable a yacimientos o sectores en los cuales la competencia de la roca permite principalmente usar fuerzas de gravedad como método de traspaso de mineral. 192 �El grado de fracturación obtenido permite la utilización de embudos, los cuales se encuentran conectados a buitras donde la distribución y traspaso de mineral es controlado por buitreros. La utilización de estas variantes esta aún vigente en el sector Teniente3, lsia Estándar, Quebrada Teniente. El sector principalmente es mineral secundario, utilizando una malla de extracción de 10 x 10. (Figura No.94 y 95) Figura No. 94. Método Block Caving Extracción Gravitacional 193 �Figura No. 95. Método Block Caving Extracción Gravitacional Método Block Caving con Reducción Mecanizada La diferencia fundamental con la variante anterior corresponde la utilización de un martillo picador como una forma de distribución y reducción de tamaño del mineral en el punto de extracción, debido a una mayor competencia de la roca, las colpas de mayor tamaño también llevan asociadas una variación del diseño minero, la 194 �que se ve materializada en la construcción de zanjas y reforzamiento de los puntos de extracción. ( figura No.96 ) Figura No. 96. Método Block Caving con Reducción Mecanizada 195 �III.7.- Características generales del Método de explotación subterráneo. En la figura siguiente se muestra un esquema general de explotación de un yacimiento por el modo subterráneo. Iniciamente se realiza el acceso al yacimiento, se procede a su destape o apertura mediante un pozo de mina vertical 1, a partir de él se trazan las galerías de minas 2, 3, 4, que dividen el yacimiento verticalmente en niveles. En la parte superior del poso se encuentran las instalaciones de sobremina, en este caso una torre de castillete de extracción 5 y al máquina de extracción 6 que opera el ascenso y descenso de los recipientes de carga 7, que pueden ser empleados para la carga del mineral, la roca, personal, materiales. Además del pozo de extracción de excava un pozo auxiliar 8 que constituye la salida de emergencia a la superficie y que proporciona las condiciones normales de ventilación y está equipado de una instalación de extracción auxiliar 9 y tiene un compartimento de escaleras 10, el laboreo del cuerpo mineral se realiza generalmente en sentido descendente, el mineral se extrae primeramente en el nivel superior, entre las galerías 2 y 3 y continuación en el piso inmediato superior , entre las galerías 3 y 4 y así sucesivamente. Las labores de extracción son precedidas de labores preparatorias o de acceso. Por medio de galerías ascendentes o realces 12, el bloque se divide en bloques o plantas (subniveles) B1 y B2, dentro de cuyas márgenes se practican toda una serie de galerías y excavaciones horizontales y verticales (pasillos de circulación 13, coladeros 14), a esta determinada secuencia de los trabajos preparatorios y de extracción es a lo que se le denomina método o sistema de explotación. El proceso de arranque se realiza mediante la voladura de cargas de explosivos distribuidas en barrenos 15, los barrenos son perforados con maquinas perforadoras directamente desde la superficie del mineral arrancado. El mineral arrancando baja por la cavidad por gravedad hacia los pozos tolvas 16 y coladeros 14 donde es cargado a través de las bocas de descarga 17, a las vagonetas 18 que son arrastradas por locomotoras eléctricas 19 hasta el pozo de extracción, las 196 �que son ascendidas hasta la superficie y descargadas desde la estacada (pasarela)20. En un nivel, las labores de extracción y las preparatorias se llevan acabo simultáneamente en varios bloques. Así los bloques B1 y B2 se encuentran ene la etapa de ensanche, mientras que el bloque B3 se halla en la etapa de preparación. Simultáneamente con la extracción en el piso superior, se procede al destape y la preparación del nivel inferior. En la figura se muestra la excavación de la galería de transporte 4 y la perforación de un contracielo o realce 21. El mineral arrancado durante el trazado de galerías es cargado por las máquinas cargadoras 22 y los agujeros de barreno son perforados por máquinas perforadores 23. Durante la explotación es imprescindible ventilar las galerías subterráneas, pues los trabajos con explosivos proporcionan gran cantidad de gases nocivos y polvo. El aire viciado, es aspirado según lo indican las flechas discontinuas, a través del pozo auxiliar y el canal de ventilación 24, por el ventilador 25. El aire fresco es aportado según las flechas del trazado continuo a través del pozo principal. La explotación subterránea trae aparejadas grandes afluencias de agua subterránea, que se van colectando en un pozo colector 26, para evacuar esas aguas en la cámara de bombas 27 se instalan las bombas 28. De este modo en el proceso general de explotación subterránea se destacan tres etapas principales, el destape o apertura, la preparación y extracción, cada una de las cuales contiene distintas operaciones, arranque, acarreo o carga del mineral, entibación de las galerías, ventilación y desagüe, transporte subterráneo y ascenso hasta la superficie. 197 �Figura No.97. Esquema de explotación de un yacimiento por Método subterráneo, Borisov, S. M, 1986. 198 �1. BIBLIGRAFIA 2. Borisov, S. M. Klókov y B. Gronovói. Labores mineras. Editorial pueblo y educación, Ciudad de la Habana, 1986. 480 Pág. 3. Polanco Almanza R. y Guilarte Alpajón D. Explotación a Cielo Abierto. ISMM Moa 1999. (Soporte electrónico) 4. Bustillo Revuelta M., C. López Jimeno. Manual de Explotación y Diseño de Explotaciones Mineras. Gráficas Arias Montano, S. A. Madrid 1997. 705 p. 5. Manual de rocas ornamentales. Colectivo de autores. ETS de Ingenieros de Minas de Madrid. 1996. 6. Popov, G. The working of mineral deposits. Editorial MIR, 324 Pág 7. Mecánica de suelos. E Juarez Badillo y Alfonso Rico. Tomo I y II. 8. Curso Iberoamericano de Aplicaciones Geomecánicas y Geoambientales al desarrollo sostenible de la Minería. Roberto Blanco Torrens y Domingo Javier Carvajal Gómez Ediciones Panorama Minero. Argentina, 2003. 9. Rock Mechanic Principles. Coates. 1999. 10. Ingeniería geológica. Luis I. González de vallejo. Pearson education, S.A. 2002, España. 11. Barton, N. 1973: Review of a new shear strength criterion for rock joints. Engineering Geology 7:287-332. 12. Barton, N. R. & Choubey, V. 1974: A Review of the Shear Strength of Filled Discontinuities in Rock.Ed.e.Brooch. 13. Bieniawski, Z.T. 1989: “Engineering Rock Mass Classifications: A Complete Manual for Engineers and Geologists in Mining, Civil and Petroleum Engineering”. J. Wiley. 14. Bieniawski, Z. T. 2011: Errores en la Aplicación de las Clasificaciones Geomecánicas y su Corrección. Caracterización Geotécnica del Terreno. Geocontrol Madrid. Pp 2– 30. 15. González de Vallejo L. 1998: Las Clasificaciones Geomecánicas para Túneles. Ingeotúneles: Carlos López Jimeno _ Madrid. I. T. S. De Ingenieros de Minas. U. P. Madrid. T – I pp25 – 66. 199 �16. Goodman R. E.; Taylor R. L. & Brekke T. 1968: A Model for the Mechanism of Jointed Rock. Proc. Am. Soc. Civ. Eng. Soil Mechanics and Foundation. 94(SM3): 637-659. 17. Hoek, E. 1994: Strength of Rock and Rock Masses. News J. of lSRM, 2: 416. 18. Hoek, E. 2007: Practical rock Engineering. Rock Mass Properties. In-situ and Induced Stresses. Canadá. 237p, www.rocscience.com. 19. Hoek, E. & Brown, E.T. 1980: Empirical strength criterion for rock masses. J. Geotech. Engng Div., ASCE 106(GT9), 1013-1035. 20. Hoek, E., & Browm, E. T. 1985: Excavaciones Subterráneas en Roca. McGraw-Hill de México S.A. de C.V. pp103-439. 21. John.A. Hudson. Engineering Rock mechanics and introduction to de principles. Imperial College of Science. University of London. ELSEVIER SCIENCE. Second edition. 2000. 22. John.A. Hudson. Engineering Rock mechanics. Part 2. Ilustrative worked examples. Imperial College of Science. University of London. ELSEVIER SCIENCE. Second edition. 2000. 23. Manual de Geomecánica aplicada a la prevención de accidentes por caída de rocas en minería subterránea. Sociedad Nacional de Minería, Petróleo y Energía. Perú.2004 24. Fragmentación de rocas con explosivos. José Otaño Noguel. Editorial Félix Varela, 1998. 25. Elementos de Física de las Rocas. José Otaño Noguel. Editorial Pueblo y Educación, 1981. 26. Caracterización Geomecánica de Macizos Rocosos en obras subterráneas de la Región Oriental del País. Maday Cartaya Pire. Tesis Doctoral, 2001. 27. Metodología para la elección de los sostenimientos en excavaciones subterráneas de pequeña sección influenciadas por la acción sísmica. Osmany Mondejar Oquendo. Tesis doctoral, 2001. 28. Ground Mechanics in Hard Rock Mining. M. L. Jeremic. A.A.Balkema, 1987. 200 �29. Manual de Ingeniería de Taludes. Publicaciones del ITGE de España. Serie: Minería y Seguridad Minera. Madrid. 1991. 30. Elementos de la Mecánica de los Macizos rocosos. Roberto Blanco Torrens. Editorial Félix Varela, 1999. 31. Manuel Arlandi Rodríguez. Realización de proyectos en minería subterránea del del mármol. GEOCONSULT.2005. 32. Laboreo de excavaciones subterráneas. Dr.C Roberto Blanco. Editorial Felix Varela, 2000 33. Fortificación de excavaciones subterráneas. Dr.C Roberto Blanco. Editorial Felix Varela, 1995 34. Fortificación de excavaciones horizontales. Dr.C Roberto Blanco. Editorial Felix Varela, 1995 35. Proyecto de construcción subterránea (construcción de excavaciones horizontales), Parte I. Dr.C Roberto Blanco; Ing Gilberto Sargentón. Editorial Felix Varela, 1993 36. Herbert Herrera Juan. Métodos de minería a cielo abierto. Universidad politécnica de Madrid. Escuela técnica superior de ingenieros de minas. 2007. 37. Proyecto de construcción subterránea (construcción de pozos), Parte II. Dr.C Roberto Blanco; Ing Gilberto Sargentón. Editorial Felix Varela, 1993 38. laboreo de excavaciones de exploración. Dr.C. Roberto Blanco; Dr.C. José Otaño.200 39. Laboreo de excavaciones horizontales. Dr.C. Roberto Blanco; Dr.C. José Otaño.2000 40. Labores Mineras. S. Borísov; M. Klókov. 41. construcción de pozos en condiciones minero geológicas difíciles. Dr.C. Roberto Blanco. Editorial Felix Varela, 1993 42. Construcciones de la superficie de la mina. Dr. C. Roberto Blanco; Ing. Miguel Díaz Díaz. Ediciones ENPES Varela, 1991. 43. Manual de túneles y obras subterráneas. Carlos López Jimeno. 1997 44. Ingetúneles, Tomo I. Carlos López Jimeno, 1999. 201 �45. Ingetúneles, Tomo I. Carlos López Jimeno, 1999. 46. www.upct.es/~euitc/programas/minas/explotacion/tercero/em3_tecnologiaminera.pdf 47. www.ismm.edu.cu/revistamg/v17-n1-2000/art9-1-2000.pdf 48. www.ujaen.es/serv/sga/documentos/programas/200405/eup/5896/5896_3.doc 49. www.usc.es/estaticos/congresos/histec05/b16_escudero.pdf 50. Monografías sobre Ingeniería de túneles y obras subterráneas 51. http--www-ext.lnec.pt-ISRM52. cienceDirect - International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 53. ScienceDirect - Tunnelling and Underground Space Technology, Volume 22, Issue 1, Pages 1-118 (January 2007). 54. http://www.upct.es/~euitc/programas/minas/explotacion/tercero/em3_tecnol ogiaminera.pdf 202 � Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Monografías Subject The topic of the resource Tesis doctorales defendidas por profesores del ISMM Dublin Core The Dublin Core metadata element set is common to all Omeka records, including items, files, and collections. For more information see, http://dublincore.org/documents/dces/. Title A name given to the resource Tecnología de explotación de yacimientos Creator An entity primarily responsible for making the resource Dra. Maday Cartaya Pire Dr. José Otaño Noguel Dr. Armando Cuesta Recio Dr. Yoandro Dieguez García Publisher An entity responsible for making the resource available Lic. Liliana Rojas Hidalgo Type The nature or genre of the resource Monografía Date A point or period of time associated with an event in the lifecycle of the resource 2018 Subject The topic of the resource Explotación de yacimientos Description An account of the resource Se presentan los métodos aplicados a la tecnología de laboreo de yacimientos que contempla tanto la apertura como la explotación en el desarrollo de las minas, el avance de los frentes de trabajo según el modo de laboreo y la argumentación y cálculo de la tecnología utilizada. Format The file format, physical medium, or dimensions of the resource PDF Language A language of the resource Español laboreo minero Tecnología yacimiento https://repoedum.ismm.edu.cu/files/original/fcd80d20963db0a7e9001cfe1332a37d.pdf 2f32ff8669f7040455eaa17c014d2328 PDF Text Text MONOGRAFÍA USO Y MANEJO DEL AGUA Dr. MIGUEL GARRIDO RODRÍGUEZ �Página legal Título de la obra: Uso y manejo del agua, 177 pgs Editorial Digital Universitaria de Moa, año 2015 – ISBN: 978 – 959 – 16 – 2440 - 6 1. Autor: Dr. C. Miguel Garrido Rodríguez 2. Institución: Instituto Superior Minero Metalúrgico “Dr. Antonio Núñez Jiménez” Edición y corrección: M.Sc. Niurbis La Ó Lobaina Institución del autor: ISMM “ Dr. Antonio Núñez Jiménez” Editorial Digital Universitaria de Moa, año 2015 La Editorial Digital Universitaria de Moa publica bajo licencia Creative Commons de tipo Reconocimiento No Comercial Sin Obra Derivada, se permite su copia y distribución por cualquier medio siempre que mantenga el reconocimiento de sus autores, no haga uso comercial de las obras y no realice ninguna modificación de ellas. La licencia completa puede consultarse en: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/ar/legalcode Editorial Digital Universitaria Instituto Superior Minero Metalúrgico Las coloradas s/n, Moa 83329, Holguín Cuba e-mail: edum@ismm.edu.cu Sitio Web: https://ismm.edum.edu.cu �Tabla de contenido Introducción ......................................................................................... 3 TEMA 1 ............................................................................................ 5 CICLO DEL AGUA .................................................................................. 5 1.1. Uso de los recursos hídricos .......................................................... 8 1.2. La molécula de agua .................................................................... 9 1.3. Propiedades del agua ................................................................. 11 TEMA 2 ......................................................................................... 13 IMPUREZAS DEL AGUA NATURAL ......................................................... 13 2.1. Suspensión sólida ...................................................................... 14 2.2. Impurezas coloidales ................................................................ 14 2.3. Dispersión molecular e iónica ..................................................... 15 2.4. Crecimientos biológicos .............................................................. 16 TEMA 3 ............................................................................................ 17 PRINCIPALES INCONVENIENTES DE LAS IMPUREZAS DEL AGUA ............... 17 3.1. Incrustaciones superficiales ........................................................ 17 Incrustaciones alcalinas térreas ..................................................... 18 Incrustaciones ferrosas .................................................................. 18 Incrustaciones cúpricas .................................................................. 19 Incrustaciones de sílice .................................................................. 19 3.2. Corrosión ................................................................................. 19 De alta estabilidad termodinámica ................................................... 20 De limitada estabilidad termodinámica ............................................. 20 Pasivación de los metales ............................................................... 21 3.3. Formación de espumas.............................................................. 22 TEMA 4 ........................................................................................... 23 ESTABILIDAD DEL AGUA ..................................................................... 23 4.1. Aguas agresivas e incrustantes ................................................... 23 4.2. Análisis cualitativo de la estabilidad del agua ................................ 24 Carácter ácido .............................................................................. 25 Carácter incrustante ...................................................................... 26 4.3. Análisis cuantitativo de la estabilidad del agua .............................. 29 Método para el cálculo del Índice de Langelier (LSI) ........................................ 29 Método para el cálculo del Índice de Ryznar (ISR) ............................................ 30 TEMA 5 ........................................................................................... 32 SOLUBILIDAD DE LOS GASES EN EL AGUA ............................................ 32 5.1. Termodinámica de la precipitación de sólidos ................................ 33 5.1.1. Criterios termodinámicos de equilibrio o espontaneidad de los procesos ......................................................................................... 33 5.1.2. Dependencia de la Energía Libre con la temperatura a presión constante. Ecuación Gibbs – Helmholtz.................................................................. 34 5.1.3. Equilibrio químico ............................................................................................... 36 1 �5.4. Termodinámica de reversibilidad ................................................. 37 5.5. Influencia de la temperatura en la constante de equilibrio. Ecuación de Van’t Hoff ....................................................................................... 37 5.6. Métodos aproximados de cálculo de las constantes equilibrio .......... 38 TEMA 6 .......................................................................................... 41 MEDIDAS, CONTROL Y MONITOREO DEL AGUA .................................... 41 6.1. Toma de muestra para el análisis de agua .................................... 42 6.3. Técnicas de análisis ................................................................... 44 6.3.1. Análisis organolépticos ............................................................ 44 6.3.2. Análisis de los componentes más comunes ............................................. 46 TEMA 7 ........................................................................................... 49 ANÁLISIS DE SUSTANCIAS QUE INFLUYEN EN LA POTABILIDAD DEL AGUA 49 TEMA 8 ............................................................................................ 55 TIPOS DE PROCESOS PARA LA REMOCIÓN DE CONTAMINANTES .............. 55 8.1. Procesos físicos ......................................................................... 55 8.2. Procesos químicos ..................................................................... 62 8.3. Esquemas de desmineralización .................................................. 75 8.3.1. Membranas. Clasificación ..................................................... 87 8.3.2. Parámetros principales del proceso ....................................... 89 8.3.3. Otros factores que pueden afectar la efectividad del proceso de ósmosis .................................................................................. 92 TEMA 9 ........................................................................................... 97 SISTEMA DE POST-TRATAMIENTO ........................................................ 97 9.1. Métodos de desinfección ............................................................. 98 9.2. Objetivos del tratamiento del agua ............................................ 109 9.3. Control de las incrustaciones en caldera ..................................... 117 TEMA 10 ......................................................................................... 118 AGUAS RESIDUALES. TRATAMIENTO, USO Y DISPOSICIÓN FINAL .......... 118 10.1. Aguas residuales urbanas ....................................................... 118 10.2. Tipos de vertidos industriales .................................................. 120 10.3. Contaminación característica de la industria .............................. 122 10.4. Contaminantes específicos ...................................................... 125 10.5. Otras formas de medir la calidad de las Aguas ........................... 127 10.6. Tratamientos previos.............................................................. 129 10.7. Tratamiento primario o tratamiento físico-químico ..................... 149 10.8. Aplicaciones del tratamiento físico-químico ............................... 151 10. 9.Tratamiento secundario .......................................................... 158 10.10. Tratamiento de efluentes y lodos ........................................... 164 BIBLIOGRAFÍA.................................................................................. 170 2 �Introducción El agua constituye elemento esencial en el desarrollo de la humanidad, por tanto el conocimiento de sus propiedades físicas y químicas, son necesarios para lograr el desarrollo sustentable. Solo el 2,5 por ciento de los recursos hídricos mundiales son agua dulce y la mayor parte del líquido que nos rodea, el mar y los océanos, son salados. Según un informe del programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA), los seres humanos solo contamos con menos del uno por ciento del agua dulce para nuestro consumo. El Segundo Informe sobre Desarrollo de los Recursos Hídricos en el Mundo (2006) alerta que la carencia de este servicio básico está vinculada a la mala gestión del agua, a la poca creación de capacidades humanas y la escasez de las infraestructuras físicas. El uso del agua de mar en los sectores de servicios e industriales y regadíos es casi nulo y los procesos de eliminación del contenido de impurezas del agua de mar son muy costosos. Ante la evidente importancia de este bien común se elaboró el siguiente material con la finalidad de poner a disposición de docentes y estudiantes una síntesis de conocimientos científico-técnicos que favorezcan la adopción de una conducta responsable ante el uso y manejo de los recursos hídricos que la naturaleza pone a disposición de la humanidad. La monografía Uso y manejo del agua está formada por los temas siguientes: El ciclo del agua en el que se precisa la interrelación de diversos procesos y las principales propiedades físicas. Impurezas naturales del agua. En este tema se indican las impurezas presentes en las aguas superficiales y aguas subterráneas, tales como las suspensiones sólidas y coloidales, las dispersiones iónicas y moleculares y los crecimientos biológicos, así como los efectos en la calidad del agua. Estabilidad del agua basada en su carácter ácido o incrustante en dependencia de las actividades de los iones presentes y el pH. 3 �Termodinámica de la precipitación de sólidos. Se analizan métodos para evaluar la posibilidad de las reacciones que puedan tener lugar acorde a las condiciones del sistema o de la estabilidad de compuestos. Medidas, control y monitoreo del agua. Parámetros para evaluar la calidad del agua. Procesos para el control de agentes contaminantes. Procesos físicos, químicos y biológicos. Tratamiento de agua de abasto. Planta potabilizadora. Instalaciones para fines industriales. Agua para la producción de vapor. Aguas residuales. Tratamiento, uso y disposición final. Métodos de control de agentes contaminantes. Este sistema de conocimientos permite evaluar la calidad del agua y proponer los métodos para la eliminación de agentes contaminantes. 4 �TEMA 1 CICLO DEL AGUA Conocer el ciclo hídrico permite valorar las acciones para aprovechar las oportunidades para el control y uso del agua, así como tomar las medidas preventivas para mantener este equilibrio natural de la naturaleza, de forma que los impactos que el hombre produce sobre los recursos hídricos puedan ser minimizados o evitados con la correcta gestión de los procesos donde interviene este recurso. La gestión del agua implica conocer sus propiedades y sus impurezas para evaluar los tratamientos y usos a que se destina en los procesos tanto productivos como de servicio y de abasto a la población, pero también establecer las regulaciones y normativas de control y el tratamiento de los efluentes producidos. El agua en el planeta tierra se encuentra en las tres fases: sólida, líquida y gaseosa, constituyendo la hidrosfera y se distribuye en los océanos, los continentes y la atmósfera; entre los cuales existe una circulación continua - el ciclo del agua o ciclo hidrológico. El movimiento del agua en el ciclo hidrológico es mantenido por la energía radiante del sol y por la fuerza de la gravedad. El ciclo hidrológico se define como la secuencia de fenómenos por medio de los cuales el agua pasa de la superficie terrestre, en la fase de vapor, a la atmósfera y regresa en sus fases líquida y sólida. La transferencia de agua desde la superficie de la tierra hacia la atmósfera, en forma de vapor de agua, se debe a la evaporación directa, a la transpiración por las plantas y animales y por sublimación (paso directo del agua sólida a vapor de agua), aunque este es insignificante. 5 �Figura 1. Ciclo del agua. La cantidad de agua movida, dentro del ciclo hidrológico, por el fenómeno de sublimación es evaporación y insignificante por en relación transpiración, cuyo con las proceso cantidades conjunto movidas se por denomina evapotranspiración. El vapor de agua es transportado por la circulación atmosférica y se condensa luego de haber recorrido distancias que pueden sobrepasar 1,000 Km. El agua condensada da lugar a la formación de nieblas y nubes y, posteriormente, a la precipitación. La precipitación también incluye el agua que pasa de la atmósfera a la superficie terrestre por condensación del vapor de agua (rocío) o por congelación del vapor (helada) y por intercepción de las gotas de agua de las nieblas (nubes que tocan el suelo o el mar). El agua que precipita en la tierra puede tener varios destinos. Una parte es devuelta directamente a la atmósfera por evaporación; otra parte se escurre por la superficie 6 �del terreno, escorrentía superficial, que se concentra en surcos y va a originar las líneas de agua. El agua restante se infiltra, esta penetra en el interior del suelo; esta agua infiltrada puede volver a la atmósfera por evapotranspiración o profundizarse hasta alcanzar las capas freáticas. La precipitación puede ocurrir en la fase líquida (lluvia) o en la fase sólida (nieve o granizo). El agua precipitada en la fase sólida se presenta con una estructura cristalina, en el caso de la nieve y con estructura granular, en el caso del granizo. Tanto el escurrimiento superficial como el subterráneo van a alimentar los cursos de agua que desaguan en lagos y en océanos La escorrentía superficial se presenta siempre que hay precipitación y termina poco después de haber terminado la precipitación. Por otro lado, el escurrimiento subterráneo, especialmente cuando se da a través de medios porosos, ocurre con gran lentitud y sigue alimentando los cursos de agua mucho después de haber terminado la precipitación que le dio origen. Así, los cursos de agua alimentados por capas freáticas presentan unos caudales más regulares. Como se dijo arriba, los procesos del ciclo hidrológico ocurren en la atmósfera y en la superficie terrestre por lo que se puede admitir dividir el ciclo del agua en dos ramas: aérea y terrestre. El agua que precipita sobre los suelos, una parte es devuelta a la atmósfera por evapotranspiración y la otra produce escurrimiento superficial y subterráneo. Esta división está condicionada por varios factores, unos de orden climático y otros dependientes de las características físicas del lugar donde ocurre la precipitación. La energía solar es la fuente de energía térmica necesaria para el paso del agua desde las fases líquida y sólida a la fase de vapor, y también es el origen de las circulaciones atmosféricas que transportan el vapor de agua y mueven las nubes. Por este motivo, y bajo un enfoque global o sistemático el ciclo del agua hay que entenderlo como una gran máquina térmica que utiliza una cuarta parte de la energía que llega del sol a la tierra, que es solo un 0,23 %. La fuerza de gravedad da lugar a la precipitación y al escurrimiento. El ciclo hidrológico es un agente modelador de la corteza terrestre debido a la erosión, al transporte y deposición de sedimentos por vía hidráulica. Condiciona la cobertura vegetal y, de una forma más general, la vida en la tierra. 7 �El ciclo hidrológico puede ser visto, en una escala planetaria, como un gigantesco sistema de destilación, extendido por todo el Planeta. El calentamiento de las regiones tropicales debido a la radiación solar provoca la evaporación continua del agua de los océanos, la cual es transportada bajo forma de vapor de agua por la circulación general de la atmósfera, a otras regiones. Durante la transferencia, parte del vapor de agua se condensa debido al enfriamiento y forma nubes que originan la precipitación. El regreso a las regiones de origen resulta de la acción combinada del escurrimiento proveniente de los ríos y de las corrientes marinas. El ciclo del agua tiene dos partes principales. La parte terrestre del ciclo hidrológico comprende todo lo que tiene que ver con el transporte, el almacenamiento de las aguas en la Tierra y en el mar. La parte atmosférica consta del transporte de agua en la atmósfera principalmente en forma de vapor. En este esquema del ciclo del agua son claramente visibles la parte atmosférica del ciclo y su parte terrestre. Los procesos de transferencia de agua entre estas distintas reservas de la hidrosfera están indicadas por flechas de color malva acompañadas por la cantidad anual de agua implicada en el proceso. El balance hidrológico del agua está dado por la siguiente expresión: Precipitaciones = evapotranspiración + escurrimiento + infiltración. El vapor de agua es transportado por la circulación atmosférica y se condensa luego de haber recorrido distancias que pueden sobrepasar 1,000 Km. El agua condensada da lugar a la formación de nieblas y nubes y, posteriormente, a la precipitación. La precipitación también incluye el agua que pasa de la atmósfera a la superficie terrestre por condensación del vapor de agua (rocío) o por congelación del vapor (helada) y por intercepción de las gotas de agua de las nieblas (nubes que tocan el suelo o el mar). 1.1. Uso de los recursos hídricos El agua que precipita debido al escurrimiento e infiltración, una parte de ella es usada por el hombre para higiene, la elaboración de los productos y el riego para 8 �la producción de alimentos. Como puede observarse en la tabla 1 el agua es tratada en dependencia al uso. Tabla 1. Proceso del agua en dependencia del uso No 1 Entradas Nubes Actividades Precipitaciones 2 Lluvia, nieve, granizos y rocío Aguas subterráneas y superficiales (agua cruda, agua de mar), obtienen impurezas Superficie terrestre 4 Agua potable 4 4 Agua Agua Agua Agua Uso del agua Población Uso Industrial 7 Agua residuales 8 Aguas tratadas 9 Aguas 3 potable suavizada desmineralizada cruda o tratada superficiales Tratamiento del agua: Potabilizadora Industrial Riego Uso para riego Tratamiento de aguas residuales: Industriales, Domésticas y Agropecuarias Superficie terrestre y Evapotranspiración Salidas Lluvia, nieve, granizos y rocío Aguas subterráneas y superficiales Agua tratada Agua potable Agua suavizada Agua desmineralizada Agua destilada Aguas residuales urbanas Aguas residuales industriales Aguas superficiales y subterráneas Aguas tratadas Aguas superficiales y subterráneas Nubes subterráneas 1.2. La molécula de agua El agua es una molécula polar, que está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno por medio de dos enlaces covalentes. La distribución de los átomos provoca que la molécula tenga dos cargas negativas en un lado y dos cargas positivas en el otro. En el agua siempre están presentes iones hidronio (H3O+) y oxidrilo (OH-), los cuales surgen como resultado de la descomposición de la molécula de agua según la reacción: 2H2O (l) ==== H3O+ (ac) + OH- (ac) 9 �Podemos observar la representación esquemática de la molécula de agua. Figura 2. La molécula de agua. Los círculos mayores representan los átomos de oxígeno y los menores representan los átomos de hidrógeno. El resultado es que la molécula de agua aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones que de electrones), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar, alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa, mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, un densidad de carga positiva. Por eso en la práctica la molécula de agua se comporta como un dipolo y tiene lugar las interacciones dipolo-dipolo. El agua se comporta como un electrolito débil siendo su constante de ionización o producto iónico del agua, Kw = [H3O+][ OH-], es igual a 10-14 a 24.8 o C. En el agua pura, las concentraciones de iones hidronio u oxidrilo son iguales: [H3O+]= [ OH-] = 10-7 mol / L. Para evitar el uso de exponenciales negativas en el agua pura y las disoluciones acuosas se utilizan el término de pH, que se define como el logaritmo del reciproco de la concentración de hidronio. pH = - log [H3O+]. 10 �Entonces: la [H3O+]=[ OH-] el pH=7 y la solución es neutra; Si Si la [H3O+]>[ OH-] el pH<7 y la solución es ácida; Si la [H3O+]<[ OH-] el pH>7 y la solución es alcalina. En general, es necesario precisar la dependencia de la constante de ionización del agua en función de la temperatura, tal como se indica en la tabla. Tabla 2. Producto iónico del agua Temperatura 0 10 25 40 50 0,113 0,209 1,008 2,917 5,474 (0C) Kw. 1014 El control del pH del agua es de gran importancia en numerosos sistemas, como por ejemplo: el control de pH en los sistemas de generación de vapor y los sistemas de enfriamiento con torres de enfriamiento, etc. 1.3. Propiedades del agua En estado puro no tiene olor, no es tóxica, disuelve a todas las sales cristalinas y compuestos polares y debido a los valores elevados del calor específico y latente de vaporización constituye verdaderos volantes térmicos. A continuación se relacionan las principales propiedades del agua pura: x Densidad del agua a 4 oC es de 0,9997 g/cm3 x Temperatura de ebullición a la presión atmosférica es de 100 oC. x Temperatura de solidificación a la presión atmosférica es de 0 oC. x Calor específico (entre 14,5 a 15,5 o C) es de 4180 J / kg / o C. 11 �x Calor de fusión del hielo es de 80 kcal/kg. x Calor de vaporización 539 kcal/kg. x Energía de formación molecular es de 58 000 cal/mol. x La viscosidad del agua es de 1,007.10-2 Poise a 20 oC. x Tensión superficial del agua a 18 oC es de 73 dyna/cm3. La transparencia del agua depende de la longitud de onda de la luz que atraviesa. Los rayos ultravioletas pasan bien, pero los infrarrojos, tan útiles desde el punto de vista físico y biológico, apenas penetran en ella. 12 �TEMA 2 IMPUREZAS DEL AGUA NATURAL El agua que usa el hombre, no se encuentra en estado puro, como se conoce desde el punto de vista químico, se puede considerar como H2O + x, donde x es el conjunto de impurezas, tal como se indican en la tabla 3, las cuales se clasifican en: Suspensión sólida con tamaño de partículas entre 50 mm y 1μ, soluciones y suspensiones coloidales con tamaño de partículas desde 0,001μm hasta 0,1μm, la dispersión del tipo iónica y/o molecular con dimensiones de las partículas son menos de 0,001 μm y no son capaces de depositarse por sí misma y crecimientos biológicos de diferentes tamaños que van desde algas, hongos, virus, bacterias, protozoos, etc. Tabla 3. Tipos de impurezas presentes en las superficiales y subterráneas Tipos de impurezas Tamaño Suspensión sólida Desde 50 mm hasta 1μm Impurezas coloidales Desde 1μm hasta 0,001μm 1 2 3 Dispersión molecular iónica Moléculas de gases Características Formada por arena, arcilla y sustancias orgánicas arrastradas por la lluvia o las corrientes de agua Impurezas coloidales están formadas, fundamentalmente, por compuestos de silicio, aluminio y hierro e O2 , NH3, N2, SH2, CO2 Moléculas de sales Menores de 0,001μm CaHCO3, NH4Cl, NaAC Moléculas de ácidos HAc, H2CO3, H3PO4 Moléculas alcalinas Cationes Aniones NH4OH, H+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+ 13 �Tipos de impurezas 4 Tamaño Crecimientos biológicos Reino Vegetal Hongos. Sombrerillo Células microscópicas que carecen de envoltura nuclear Protistas: son unicelulares pero poseen envoltura celular OH-, Cl-, SO42-, NO3Características Desde tamaño microscopicos hasta macrocoscopicos. Algas: verdes, azules y carmelitas. Bacterias. Sulfatoreductoras, productoras de ácidos, depositadoras de metal, formadoras de babaza, nitrificantes. Los Metazoos Amebas y giardias Esponjas, escaramujos, etc. 2.1. Suspensión sólida La suspensión sólida puede tener una variada composición, aunque por lo general está formada por arena, arcilla y sustancias orgánicas arrastradas por la lluvia o las corrientes de agua. Estas partículas tienen un comportamiento condicionado por las fuerzas gravimétricas e hidrostáticas y se subdividen en: suspensión gruesa, las cuales tienen una dimensión desde 50 a 1 mm, son visibles fácilmente y se sedimentan o flotan sin dificultad (las impurezas de mayores dimensiones no se consideran suspensiones, aunque pueden acompañar al agua que se debe tratar); y suspensión sólida fina, las cuales tienen tamaños desde 5 μm hasta 1μm y son visibles con cristales de aumento (estas partículas participan en el movimiento browniano y son capaces de sedimentar o flotar, aunque con una velocidad muy lenta. 2.2. Impurezas coloidales En las aguas naturales las impurezas coloidales están formadas, fundamentalmente, por compuestos de silicio, aluminio y hierro, mientras en las aguas residuales contienen sustancias orgánicas coloidales tales como proteínas fibrosas, grasas aceitosas, etc. 14 �Las partículas 0,001μm en este tipo de dispersión tienen dimensiones que van desde hasta 0,1μm o sea demasiado pequeñas para precipitar y demasiado grandes para formar solución verdadera, si el agua está en estado de reposo un tiempo prudencial, se observa que las partículas de mayor peso específico se encuentran cercanas al fondo y las de menor peso especifico cerca de la superficie. Estas se caracterizan por el movimiento browniano, que contribuye a impedir que las partículas coloidales se depositen, pero no pueden permanecer suspendidas solo por la acción de estas fuerzas. Los coloides permanecen dispersos debido principalmente a sus cargas eléctricas. Todas las partículas sólidas de un determinado sistema coloidal son o bien electropositivas o electronegativas. Debido a que las cargas iguales se repelen las partículas se mantienen separadas. Si la carga es neutralizada por la electricidad de tipo opuesto, las partículas coloidales se depositan. 2.3. Dispersión molecular e iónica El agua disuelve una gran cantidad de sustancias debido a su polaridad, la cual aporta la energía necesaria para el proceso de hidratación. La solubilidad de muchas depende fuertemente de la temperatura y algunas presentan máximos en esta dependencia. La dispersión del tipo iónica y molecular es la que presenta mayor variedad en sus componentes y en las fuentes a partir de las cuales se forman. Las dimensiones de las partículas son menos de 0,001 μm y no son capaces de depositarse por si misma. En la mayoría de los casos, en la composición de las aguas naturales se encuentran presenten las siguientes impurezas moleculares e iónicas. x Moléculas de ácidos débiles disueltas en el agua: Ácido carbónico, ácidos orgánicos, etc. x Sales procedentes de la neutralización de un ácido fuerte con una base fuerte o viceversa: cianuro de sodio, citrato de sodio, bicarbonato de sodio, etc. 15 �x Gases disueltos en el agua: Oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, amoniaco, sulfuro de hidrógeno, etc. x Iones negativos: carbonatos, silicatos, fosfatos, etc. x Iones positivos: calcio, magnesio, sodio, potasio, hierro, cobre, etc. 2.4. Crecimientos biológicos Los crecimientos orgánicos se encuentran presentes en todo tipo de agua, aunque con mayor variedad y profusión en las aguas superficiales. Algunas son visibles a simple vista, otras se hacen visibles con un aumento a través de un microscopio. Los crecimientos biológicos pueden ser de reino vegetal y de reino animal, a continuación se explica cómo los reinos van desde el vegetal hasta los animales superiores: x El reino vegetal se encuentra presente en el hábitat acuoso los hongos y algas; x Las bacterias células microscópicas de núcleo difuso, que se encuentra en el límite de los dos reinos. Por ejemplo, bacilo de Koch que produce el cólera; x Los virus, grandes moléculas de ácido nucleico (combinado con proteínas), se sitúan en la frontera de la vida. Por ejemplo: Virus de la gripe, hepatitis, etc., x En el reino animal debe comenzarse por los animales unicelulares (protozoos) que adoptan numerosas formas parásitas. Por ejemplo, las amebas; x Los Metazoos comienzan con las esponjas y concluyen con los animales superiores el mamífero. Por ejemplo, los escaramujos. Los crecimientos biológicos son muy perjudiciales en el agua potable, en la mayoría de las aguas industriales y en menor medida en las de regadíos. 16 �TEMA 3 PRINCIPALES INCONVENIENTES DE LAS IMPUREZAS DEL AGUA 3.1. Incrustaciones superficiales Las impurezas del agua producen diferentes inconvenientes en el uso cotidiano, entre los principales son: suciedades, incrustaciones en superficies, corrosión en superficies metálicas, formación de espumas y los organismos patógenos causan diferentes enfermedades. En las industrias las impurezas contenidas producen en condiciones determinadas deposiciones o incrustaciones que pueden causar disminución de la transferencia de calor, incremento de la energía de bombeo por disminución del área de trabajo y corrosión en las superficies metálicas, etc. Las formas de deposiciones se puede clasificar en: - Deposiciones primarias: producidas por precipitaciones de sales que alcanzan el punto de saturación y deposiciones. - Deposiciones secundarias que se incluyen el resto, entre ellas las más frecuentes son por deposiciones de lodos en superficies calientes y crecimientos de microorganismos. Las incrustaciones primarias se forman calentamiento, las cuales comúnmente en las superficies de se pueden dividir, según las sustancias químicas del modo siguiente: 17 �Incrustaciones alcalinas térreas Estas se forman cuando en el agua se encuentran a la vez cationes de calcio y magnesio y aniones carbonatos, sulfatos y silicatos, con los cuales se forman los compuestos insolubles de carbonato de calcio y magnesio, hidróxido de magnesio, sulfato de calcio y de magnesio, silicato de calcio y magnesio. La precipitación de las impurezas con el aumento de la temperatura del agua. De estas sales las más incrustantes por presentar muy baja solubilidad son los carbonatos de calcio y de magnesio que no están presentes generalmente como tal, sino que se producen al descomponerse los bicarbonatos correspondientes por efecto del calor. Produciendo además CO2 que acompañando al vapor resulta altamente corrosivo para las líneas de condensado si no se toman las medidas técnicas adecuadas. Ca(HCO3)2 (ac) + Calor CaCO3(s) + CO2 (g) + H2O (l) Las acciones preventivas para evitar las deposiciones consistentes en la disminución de las impurezas incrustantes presente en el agua antes de entrar en los procesos y las correctivas la limpieza de estos depósitos sobre la superficie metálica, por medios mecánicos y químicos. Incrustaciones ferrosas Las costras de óxido de hierro, fundamentalmente de hematita (Fe2O3) y óxido de hierro (II) (FeO), se forman cuando no estén presentes en el agua de alimentación los metales alcalinos térreos o cuando aparecen por desprendimiento de los productos de corrosión. En los generadores de vapor pueden surgir las incrustaciones fosfato-férricas como resultado de un régimen químico deficiente. ferrosos y fosfato de hierro sodio. Las más frecuentes son los fosfatos El óxido de hierro conocido como magnetita Fe3O4, es útil su formación como una fina película en los generadores de vapor para evitar la corrosión. La capa de magnetita se forma con la adición de oxidante fuerte como nitrito y se mantiene con la adición permanente de un medio alcalino, que mantenga el pH alrededor de 11. 18 �Incrustaciones cúpricas Las costras de óxido de cobre, fundamentalmente de CuO y cuando Cu2O se forman estén presentes en el agua de alimentación o cuando aparecen por desprendimiento de los productos de corrosión. No son muy frecuentes en las instalaciones, pero su presencia en las calderas en las etapas de lavado químico son muy dañinas, porque aceleran la corrosión ácida. Incrustaciones de sílice Otra incrustación importante y más difícil de eliminar es la de sílice, muy peligrosa en los sistemas de vapor de alta presión. La sílice se elimina modernamente por intercambio iónico del agua. El principal problema de la sílice es su presencia en las turbinas que pueden hasta desbalancearlas. En general no existe una incrustación que sea completamente de un solo tipo y las mismas pueden presentarse en todos los tipos indicados, en la práctica industrial al identificarse solo se refiere a cuál es la mayoritaria. Para evitar las incrustaciones el método más efectivo es la disminución de impurezas indeseables en el agua mediante la aplicación de los tratamientos de clarificación (sedimentación-coagulación-filtración-flotación-ósmosis), desinfección y eliminación de dureza total cuando el agua contiene demasiado calcio y magnesio. La aplicación ineficiente de un tratamiento del agua para la generación de vapor, en las calderas trae como consecuencia la deposición de una capa de depósitos que disminuyen apreciablemente el intercambio de calor y entonces hay que someter a la caldera a un lavado químico con ácidos, muy costoso y prejudicial para la caldera desde el punto de vista técnico. 3.2. Corrosión Las pérdidas que se producen por la acción del medio corrosivo aparecen reflejadas en toda la literatura especializada, y de forma general se caracterizan por las pérdidas directas y las indirectas que se producen. Las pérdidas directas son las relacionadas con el recambio de los equipos, estructuras y accesorios, mientras que las indirectas están relacionadas con las pérdidas en la producción, productos dañados y tiempo de parada debido a estos trabajos. 19 �La corrosión como proceso espontáneo es donde los metales y sus aleaciones tienden a pasar a sus formas más estables, ya sea como sales o como óxidos del metal, aunque hoy día este concepto es aún más amplio y se incluye el estudio de los fenómenos en otros materiales como la degradación de los polímeros, la acción de la atmósfera sobre las estructuras de hormigón, la durabilidad de materiales cerámicos, etc. La causa de la corrosión de los metales radica en la tendencia termodinámica de los mismos a pasar a su estado natural, por ello se clasifican como: De alta estabilidad termodinámica Este fenómeno está presente en sistema en los que las transformaciones químicas (reacciones) la variación de la energía libre (ΔG > 0) mayor que cero y no ocurre oxidación del metal, o sea la velocidad de reacción es prácticamente cero, es el caso de metales nobles (Pt, Au, Ag) en contacto con el agente agresivo. Desde punto de vista corrosivo sería idóneo de usar estos metales en la construcción, pero en la mayoría de los casos no se puede por alto costo de estos. De limitada estabilidad termodinámica La corrosión se presenta cuando la variación de energía libre del sistema es menor que cero, en este caso la velocidad de reacción es apreciable y provoca la oxidación del metal. En la mayoría de las construcciones metálicas ocurre este fenómeno, para lograr la protección de esta hay que recurrir a los métodos de protección anticorrosiva. Este es el caso de las estructuras de acero en contacto con la atmósfera que se aplica pintura. De forma general la corrosión se clasifica en dos grandes grupos: corrosión química y corrosión electroquímica. La corrosión química es un proceso de oxidación reducción que ocurre sobre la propia superficie del metal y no existe ningún medio electrolito. Me/ MeO/ Ox Me ------> Mez + ze Ox +ye ------> Oxy Mez+ + Oxy+-----> MeOx. 20 �Depende termodinámicamente del valor de la variación de la energía libre y cinéticamente de la ecuación de la velocidad de reacción: Vr = dm/dt = KcOxn. La corrosión electroquímica se caracteriza por la presencia de un medio electrolito y de áreas anódicas y catódicas definidas. Está presente en los medios acuosos. Ánodo: Me ------> Mez+ + ze Cátodo: Ox + ye ------> Oxye Pero en este caso termodinámicamente depende de la actividad del metal y la velocidad de reacción viene dada por la relación: Vr=dm/dt=icorr/nF donde icorr = ia - ic y la magnitud del proceso puede calcularse a partir de las leyes de Faraday dm/dt = Micorr/nF. La semireacción catódica que ocurre prácticamente en todos los casos de la corrosión electroquímica, es: O2 + 2H2O + 4e ------------- 4 OH- Para evitar la corrosión se debe eliminar la presencia de oxígeno, como ocurre en el interior de los generadores de vapor con la adición de sulfitos e hidracina. En la atmósfera se debe mantener una humedad muy baja, generalmente menor del 70 % para evitar la presencia de una película de agua sobre la superficie metálica. Pasivación de los metales La pasivación ocurre cuando son sistemas que tienen una variación de energía libre menor que cero, pero no hay prácticamente corrosión, ya que sobre la superficie se han formado capas protectoras que evitan la oxidación del metal. Existen cuatro grandes grupos de vías de protección de los metales y sus aleaciones, entre los que se encuentran: x Alteración de la composición del metal o de su estructura: aleaciones, tratamientos térmicos; 21 �x Alteración alteración x de la composición del medio del pH, deshumidificación de corrosivo: usos de inhibidores, la atmósfera; Aplicación de protección catódica o anódica: desplazamientos de los potenciales para disminuir la velocidad de corrosión; x Aplicación de recubrimientos protectores: aislantes al metal del medio corrosivo, pueden ser metálicos como el niquelado, inorgánicos (esmaltado del acero) y orgánicos (pinturas, grasas y gomas). 3.3. Formación de espumas Otro de los inconvenientes que trae consigo las impurezas del agua es la formación de espuma que es indeseable en cualquier sistema de agua y generalmente se asocia a la presencia de sólidos disueltos por encima de los normados para el sistema, presencia de álcalis o de grasa. En un sistema de producción de vapor es donde la formación de espuma tiene un efecto más catastrófico porque incide directamente en los arrastres de aguas de caldera que se incorporan al vapor. En generadores de vapor equipados con sobrecalentadores esto aumenta el sobrecalentamiento en los mismos y los fallos en los tubos del equipo sobrecalentador. Es aún más grave cuando a continuación de los sobrecalentadores el uso de ese vapor es en turbinas de vapor. Para evitar las espumas se controlan los sólidos, la alcalinidad, los ingresos de grasas y otros. Las medidas correctivas son el control de estos parámetros anteriores así como el uso de antiespumantes y minimización de los productos de corrosión en circulación. Los agentes químicos antiespumantes reducen el consumo de combustible significativamente por permitir bajar las extracciones produciendo un vapor de alta calidad. Ejemplos de antiespumantes son los poliglicoles y poliamidas. 22 �TEMA 4 ESTABILIDAD DEL AGUA 4.1. Aguas agresivas e incrustantes Las aguas pueden corroer a metales, calizas, cemento y algunos productos derivados como materiales de la construcción y hormigones, o precipitar sólidos insolubles que se aglomeran y se depositan en la superficie de los materiales. Entre las aguas agresivas se encuentran algunas aguas naturales de alcalinidad y dureza bajas, así como las aguas coaguladas, suavizadas por intercambio iónico y/o desmineralizado. Las aguas corrosivas debilitan la pared de las tuberías al eliminar parte del material, en los puntos corroídos aumentan las tensiones debidas a las cargas, y se produce una rugosidad elevada que disminuye la capacidad portante de los ductos. Dependiendo del material con el cual el agua entra en contacto, se puede provocar una coloración en el agua, e incluso en el caso de agua potable alterar su sabor. Con respecto a las aguas incrustantes, estas acumulan depósitos en las líneas de distribución, calderas y otros equipos, así como en los filtros de grava y arena, y en general en cualquier dispositivo que emplee agua o tanque de almacenamiento. En el caso de las tuberías, estas aguas reducen la sección útil e incrementan la velocidad y la pérdida de carga; así mismo aumentan la rugosidad y disminuyen la capacidad portante. Además de caracterizar las aguas naturales según su agresividad o incrustabilidad para uso doméstico e industrial, también es importante hacerlo en aquellos cuerpos de aguas que reciben aportes residuales municipales e industriales sin tratamiento. Dentro de los desechos que reciben se encuentran los metales pesados, los cuales se presentan como sedimentos y en formas disueltas, estas últimas interactúan con otros componentes del agua y, bajo ciertas condiciones, provocan que el agua cambie su naturaleza a incrustante o agresiva. 23 �Por lo anteriormente expuesto, es necesario utilizar la teoría apropiada para determinar, no solo de manera cualitativa sino además cuantitativa, la naturaleza del agua, y mantenerla en equilibrio; el no aplicar el modelo adecuado, podría generar errores trascendentes en la interpretación de resultados o en los posibles diseños de tratamiento. 4.2. Análisis cualitativo de la estabilidad del agua Para evitar el contacto del agua y reducir las posibilidades de corrosión es importante que los materiales mantengan una película de carbonato de calcio (CaCO3), esto se logra mediante la estabilización química del agua la cual consiste en ajustar el pH, la concentración de bióxido de carbono libre, o la concentración de carbonatos (CaCO3) del agua a su equilibrio de saturación de Ca(HCO3)2. Dado que un agua estabilizada no disuelve ni precipita CaCO3, no remueve las incrustaciones de CaCO3 que pueden proteger a las tuberías contra la corrosión, ni precipitan depósitos de CaCO3 que pueden obstruirlas. Las aguas pueden contener diferentes cantidades de CO2 libre, el cual influye en el comportamiento del carbonato de calcio contenido en tales aguas. Se dice que el CO2 de equilibrio es la cantidad de dióxido de carbono que debe estar presente en el agua para mantener en solución al bicarbonato que se encuentra en dicha agua. Si existe CO2 en exceso, este ataca al CaCO3 para aumentar la concentración del bicarbonato y mantener el equilibrio; por otro lado, si hay deficiencia de CO2, el CaCO3 se precipita para disminuir la concentración de bicarbonato, aumentando así el CO2 y restableciendo el equilibrio. Si el CO2 libre es mayor que el CO2 de equilibrio, existe exceso de CO2, por lo que se considera que el agua es agresiva. Si el CO2 libre es igual al de equilibrio, el agua está en equilibrio. Sin embargo, cuando el CO2 libre es menor que el de equilibrio, existe deficiencia en el CO2 de equilibrio, y se dice que el agua es incrustante. Estos análisis se basan en las transformaciones físico químicas que tienen lugar en el sistema CO2-H2O-CaCO3. En este sistema se puede manifestar el carácter corrosivo o incrustante del agua en dependencia de la solubilidad de del dióxido de carbono a partir de las reacciones siguientes: 24 �Carácter ácido El dióxido de carbono disuelto interacciona con el agua a través de la reacción 1- CO2 (g) + H2O (l) ==== H2CO3 (ac) Ke1 Este ácido es un electrolito débil y se ioniza en dos etapas mediante las reacciones: 2- H2CO3 (ac) ==== H+(ac) + HCO3- (ac) Ke2 3- HCO3- (ac) ==== H+(ac) + CO32- (ac) Ke3 ---------------------------------------------------------------------4- H2CO3 (ac) ==== 2H+ (ac) + CO32- (ac) Ke4= Ke2. Ke3 Por tanto la reacción total se puede plantear como: 5- CO2 (g) + H2O (l) ==== 2H+ (ac) + CO32- (ac) Ke5 En este sistema se pueden presentar varios casos particulares siguientes: a-Cuando PCO2 en la fase gaseosa > PCO2 de equilibrio de la reacción Se favorece la reacción de directa con la formación de los iones (H+ y CO32-), por tanto aumenta la a(H+) y consecuentemente disminuye el pH del aumentando la acidez del agua, luego constituye un agua más agresiva o que favorece la corrosión. b-Cuando PCO2 en la fase gaseosa = PCO2 de equilibrio de la reacción En este caso la reacción química está en equilibrio químico, es decir, que las concentraciones permanecen constantes, o sea, no se favorece ninguna de las reacciones químicas. c-Cuando PCO2 en la fase gaseosa < PCO2 de equilibrio de la reacción Se favorece la reacción de inversa con la formación del CO2 gaseoso disminuyendo su solubilidad, por tanto la a(H+) y consecuentemente aumenta el pH del disminuyendo la acidez del agua, luego constituye un agua menos agresiva o que no favorece la corrosión. 25 �Carácter incrustante La presencia del CO2 disuelto está asociado a la solubilidad del carbonato de calcio mediante las reacciones siguientes: 1- CO2 (g) + H2O (l) ==== H2CO3 (ac) Ke1 2- CaCO3 (s) + H2CO3 (ac) ==== Ca(HCO3)2 (ac) Ke2 --------------------------------------------------------------------------------3- Ca(HCO3)2 (ac) ==== Ca2+ (ac) + 2 HCO3- (ac) HCO3- + Ke3 CO32- (ac) ==== 2H (ac) + (ac) Ke4 4- 2 ------------------------------------------------------------------------------------------------------5- CO2 (g) +H2O (l) +CaCO3 (s) === Ca2+ (ac) + 2H+ (ac) + CO32- (ac) K5= Ke3. Ke4 En este caso se pueden presentar varios casos particulares siguientes: a-Cuando PCO2 en la fase gaseosa > PCO2 de equilibrio de la reacción Se favorece la reacción directa con la formación de los iones (H+), por tanto, aumenta la a(H+) y consecuentemente disminuye el pH, aumenta la solubilidad del carbonato de calcio y disminuyen las incrustaciones en las tuberías. b-Cuando PCO2 en la fase gaseosa = PCO2 de equilibrio de la reacción En este caso las reacciones químicas están en equilibrio químico, es decir, que las concentraciones permanecen constantes, o sea no se favorece ninguna de las reacciones químicas. c-Cuando PCO2 en la fase gaseosa < PCO2 de equilibrio de la reacción Se favorece la reacción de inversa con la disminución consecuentemente aumenta el pH, por tanto, se favorece de la a(H+) y la formación del carbonato de calcio, aumentando las incrustaciones en las tuberías, el agua es incrustante. Influencia del pH o de la actividad del catión hidrógeno El pH es otro factor que influye en la estabilidad del agua, es decir, en su carácter corrosivo o incrustante. Este análisis puede realizarse tomando como base a la reacción CO2 (g) +H2O (l) +CaCO3 (s) === Ca2+ (ac) + 2H+ (ac) + CO32- (ac) 26 �En este caso se pueden presentar varios casos particulares: a-Cuando pH del sistema > pH de equilibrio de la reacción o de saturación del agua En este caso la a(H+) en el sistema es mayor que la a(H+) en el equilibrio y por tanto el pH en el sistema es menor que el pH de equilibrio, entonces se produce la precipitación del carbonato de calcio favoreciéndose la formación de incrustaciones y a su vez disminuye la solubilidad del dióxido de carbono pasando este de la fase líquida a la fase vapor. Caso particular: cuando el pH es inferior a 4,1unidades todos los iones HCO3- se han convertido en dióxido de carbono. Estos determinan la alcalinidad total o (M). 2 HCO3- (ac) ==== 2H+ (ac) + CO32- (ac) b-Cuando pH del sistema = pH de equilibrio de la reacción o de saturación del agua En este caso las reacciones químicas están en equilibrio químico, es decir, que las concentraciones permanecen constantes, o sea, no se favorece ninguna de las reacciones químicas. c-Cuando pH del sistema > pH de equilibrio de la reacción o de saturación del agua En este caso la a(H+) en el sistema es menor que la a(H+) en el equilibrio y por tanto el pH en el sistema es menor que el pH de equilibrio, entonces se produce la disolución del carbonato de calcio disminuyendo las incrustaciones y su vez se incrementa la concentración de los iones carbonatos. Caso particular: cuando el pH es superior a 9,8 unidades todos los iones HCO3- se han convertido en iones carbonatos (CO32-), estos determinan la alcalinidad parcial (P) junto a los iones hidroxilos (OH). Este proceso se explica a partir de la reacción: 2 HCO3- (ac) ==== 2H+ (ac) + CO32- (ac) 27 �En general se observa la existencia de una relación entre la presión del dióxido de carbono, su solubilidad y el pH del agua con el carácter corrosivo o incrustante del agua y por tanto, una relación entre CO2- HCO3- CO32- de la forma siguiente: x x x Cuando el pH es superior a 8,1 el CO2 libre desaparece y los iones c (HCO3-) comienzan a convertirse en c (CO32-). Cuando el pH se encuentra entre 9,8 y 10 unidades todo el CO2 se ha convertido en c (CO32-). Cuando aumenta el pH la alcalinidad está determinada por la alcalinidad Relaciones cuantitativas entre la actividad de CO2- HCO3- CO32-, H2CO3 con el pH del agua: a-Dependencia de la a (HCO3-) con el pH A la presión atmosférica PCO2= 10-3,5, el dióxido de carbono disuelto en el agua es a (CO2)= 10-5 Pero este interacciona con el agua mediante la reacción: 1- CO2 (g) + H2O (l) ==== H2CO3 (ac) donde a(H2CO3) = a(CO2) = 10-5 pero el ácido carbónico se ioniza entonces se tiene que: 2- H2CO3 (ac) === H+(ac) + HCO3-(ac) Ke2= [a(H+).a(HCO3-)] / [a(H2CO3)] = 10-6,3 [a(H+).a(HCO32-)] = (10-5).( 10-6,3)= 10-11,3 Aplicando logaritmo y despejando: Loga (HCO3-)=log (Ke2) - loga(H+) + loga(H2CO3)= - 6,3 + pH - 5 Loga (HCO3-)=- 11,3 – loga (H+) o loga(HCO3-)= pH - 11,3 aplicando las propiedades de los logaritmos a(HCO3-) = 10 pH- 11,3 28 �3- HCO3-(ac) ==== H+(ac) + CO32- (ac) Ke3=[a(H+). a(CO32-)] / [a(HCO3)]= 10-10,3 despejando a(CO32-) = Ke2[a(HCO3-)]/[a(H+)] sustituyendo se cumple: a(CO32-) = 10 -10,3 [10 pH- 11,3 ] / [10-pH] a(CO32-)= 102pH-21,6 Para pH entre 4,1 y 8,3 hay equilibrio entre los iones CO32- y HCO3- a partir de la reacción: HCO3- (ac) ==== H+(ac) + CO32- (ac) 4.3. Análisis cuantitativo de la estabilidad del agua Para determinar la estabilidad del agua se conocen diferentes métodos, como el índice de saturación de Langelier, el índice de agresividad, el índice de estabilidad de Ryznar, el índice de Larson y Duswell, el índice de corrosión de Riddick, el índice de fuerza de conducción de Mc Cauley y los diagramas de Caldwell-Lawrence para determinar la agresividad e incrustabilidad del agua. El método de Mojmir Mach interrelaciona aspectos como la aportación de los iones denominados “ajenos” (todos los cationes y aniones presentes en el agua diferentes al calcio, bicarbonatos, carbonatos y protones) con la fuerza iónica, las relaciones fundamentales de disociación del agua y del ácido carbónico y la ecuación de electroneutralidad. A bajas temperaturas se aplica el índice de saturación para conocer si un agua tiene tendencia a las incrustaciones o corrosión. Este término es muy aplicado en los sistemas de enfriamiento. Métodos para identificar el carácter agresivo e incrustante del agua Método para el cálculo del Índice de Langelier (LSI) LSI = pHA - pHS, Donde: pHA = pH actual del agua pHS = pH de saturación o pH al cual se logra el equilibrio calcio carbónico del agua 29 �pHS = (9,3 + A + B) - (C + D) Donde: A = (Log [Sólidos totales disueltos mg/L] -1)/10 B = -13,12 x Log (Temperatura en ºC + 273) + 34,55 C = Log [Ca+2 como CaCO3 en mg/L] D =Log [Alcalinidad como CaCO3 en mg/L] Si IL = 0, agua en equilibrio químico Si IL < 0, agua con tendencia a ser corrosiva Si IL > 0, agua con tendencia incrustante Método para el cálculo del Índice de Ryznar (ISR) Se define el índice de estabilidad de Ryznar, como: ISR 2 pH S � pH De acuerdo con el valor obtenido, se maneja una escala que indica la tendencia incrustante o corrosiva del agua. Tabla 4. Índices de saturación del agua Condición ISR 3.0 Extremadamente incrustante 5.0 Severamente incrustante 5.5 Moderadamente incrustante 5.8 Levemente incrustante 6.0 Estable 6.5 Estable con leve tendencia corrosiva 7.0 Levemente corrosiva 8.0 Moderadamente corrosiva 9.0 Fuertemente corrosiva 30 �Índice Práctico de Incrustación El Índice Práctico de Incrustación, desarrollado por Puckorius, es similar al de Ryznar, salvo que utiliza un valor calculado de pH del agua en lugar del pH medido en el circuito. PSI 2 pH S � pH * 1- A partir de la reacción H2CO3 (ac) === H+(ac) + HCO3-(ac) Ke2= [a(H+).a(HCO3-)] / [a(H2CO3)] log(Ke2 ) = loga(HCO3-) + loga(H+) - loga(H2CO3) - loga(H+) = - log(Ke2) - loga(H2CO3) + loga(HCO3-) pH = - loga(H2CO3) + loga(HCO3-) - log(Ke2) pH = - loga(H2CO3) + loga(HCO3-) + pKe2 como a(H2CO3) = a(CO2) pH = loga(HCO3-) + pK2 - loga(CO2) pK1 : el logaritmo negativo de la constante Ke. 31 �TEMA 5 SOLUBILIDAD DE LOS GASES EN EL AGUA El agua actúa como un buen disolvente para un gran número de gases, entre los que se encuentra el oxígeno, dióxido de carbono, amoníaco y el sulfuro de hidrógeno. La solubilidad depende de la naturaleza del gas y de la temperatura. Un concepto básico para analizar las leyes que permiten evaluar las solubilidades de los gases en el agua es la presión de vapor, es decir, la presión que caracteriza el equilibrio líquido –vapor, al igualarse las velocidades de los procesos de evaporación y condensación para una sustancia dada en un sistema cerrado a temperatura constante. Luego la presión de vapor es una variable que depende de la naturaleza de sustancias y de la temperatura. Entre las leyes que permiten analizar la solubilidad de los gases en el agua se encuentran las siguientes: Ley de Henry: La masa de gas disuelta en la fase líquida es directamente proporcional a la presión que este ejerce sobre la fase líquida. Donde: Xi = k Pi Pi- presión del gas sobre la fase líquida, k- constante de Henry y Xi- fracción molar del gas en la fase líquida. La constante de Henry depende de la naturaleza del disolvente y de la temperatura. Otras leyes que están relacionadas con la solubilidad de los gases son: Ley de Raoult: La presión de vapor del gas en equilibrio con la fase gaseosa es directamente proporcional a su presión de vapor en estado puro. Donde: Pi= XiPi0 Pi- presión del gas sobre la fase líquida, Xi- fracción molar del gas en la fase líquido Pi0 - presión de vapor en estado puro. 32 �Ley de las presiones aditivas: En una mezcla gaseosa la presión total es igual a la suma de las presiones parciales de cada gas. Para una mezcla de gases formada por A y B, entonces, Pt= ∑ Pi, por tanto, Pt= PA + PB Ley de Dalton: La presión parcial de cada gas en una mezcla gaseosa es directamente proporcional a su fracción molar en la fase gaseosa. Donde: Pi= YiPT Pi- presión parcial del gas en la fase gaseosa Yi- fracción molar del gas en la fase gaseosa PT - presión total en el sistema 5.1. Termodinámica de la precipitación de sólidos 5.1.1. Criterios termodinámicos de equilibrio o espontaneidad de los procesos Se define como afinidad química a la capacidad de las sustancias para interaccionar o reaccionar. Termodinámicamente, la variable que permite cuantificar esta, es el Potencial Isobaro Isotérmico o variación de energía libre. (∆G). Por definición G = H-TS, como H y S son funciones de estado y propiedades extensivas, entonces la energía libre cumple estas características. Luego ∆G= ∆H-T∆S y ∆G=G2-G1, G2- energía libre total de los productos G1, - energía libre total de los reactivos En general se cumple que: a- Cuando G2>G1, (∆G>0). La reacción directa no ocurre espontáneamente. b- Cuando G2=G1, (∆G=0). Equilibrio químico. c- Cuando G2<G1, (∆G<0). La reacción directa ocurre espontáneamente. La dependencia de la energía libre con el estado del sistema y la cantidad de sustancias, está dada por la ecuación siguiente: G = f(T, P y n(i)) 33 �La variación de alguna de estas variables se indica mediante la ecuación: dG § wG · § wG · § wG · ¨ ¸ dt � ¨ ¸ dP � ¨ ¸ dn(i ) © wT ¹ P, N © wP ¹T , N © wn ¹ P,T Como G = H-TS y H = E + PV, sustituyendo y transformado las ecuaciones § wG · ¨ ¸ =-S © wT ¹ P , N § wG · ¨ ¸ =V © wP ¹ § wG · ¸ = μ(i) - Energía Libre Parcial Molar o Potencial © wn ¹ P ,T y ¨ Químico. dG VdP � SdT � μ(i) dn(i) Para los sistemas cerrados dG VdP � SdT , esta ecuación expresa la dependencia de la energía libre con la presión y la temperatura. 5.1.2. Dependencia de la Energía Libre con la temperatura constante. Ecuación Gibbs – Helmholtz Conociendo que 0 'G RT a presión 0 'H RT � T'S 0 RT , entonces, derivando en función de la temperatura: 0 'GRT 0 § w'H RT ¨¨ © wT 0 · § w'S RT ¸¸ � T ¨¨ ¹p © wT 0 · § w'H RT ¸¸ . Donde el término ¨¨ ¹p © wT · ¸¸ , se determina aplicando ¹p la ecuación de Kirchhof. Como 'S 'H , la dependencia de la energía libre con la temperatura está dada T por la ecuación siguiente: 0 'GRT T2 T2 ª § ·º 0 ¨ 'S Rt0 � 'CpdT ¸» « CpdT T 'H RT � ' � ³ ³ 1 1 T ¸¹» «¬ ¨© T1 T1 ¼ Esta ecuación permite calcular el Potencial Isobaro Isotérmico y luego aplicando el criterio de equilibrio o espontaneidad, analizar la posibilidad de que las reacciones puedan tener lugar acorde a las condiciones del sistema. Además, las representaciones graficas del Potencial Isobaro Isotérmico en función de la temperatura, permiten analizar como varia la afinidad química de las sustancias que toman parte en las reacciones o de la estabilidad de compuestos. 34 �Por ejemplo, en las figuras se muestran los Potenciales Isobaros Isotérmicos en la formación de óxidos, sulfuros y cloruros de varios metales. Figura. 3. Potenciales Isobaros Isotérmicos en la formación de óxidos. 35 �Figura. 4. Potenciales Isobaros Isotérmicos en la formación de sulfuros. 5.1.3. Equilibrio químico Un gran número de reacciones químicas se caracterizan por ser reversibles, alcanzando el equilibrio químico, el que se caracteriza por: - Las velocidades de la reacción directa e inversa son iguales; - Equilibrio dinámico; - Los factores externos influyen en el grado de desarrollo de las reacciones. El análisis del equilibrio químico mediante la ley de acción de masas permite definir la constante de equilibrio de las reacciones químicas, pues en ella se plantea que: La velocidad de las reacciones químicas es proporcional a las concentraciones molares de las sustancias que toman parte en la reacción. Luego al igualarse las velocidades es posible obtener la ecuación de equilibrio. 36 �Por ejemplo, para la reacción. a A + b B----- c C + d D La velocidad de la reacción directa vd=k1ca(A).cb (B) La velocidad de la reacción inversa vi=k2cc(C).cd (D) Luego en el equilibrio vd = vi despejando Ke k2 k1 cc �C �.c d ( D) c a ( A).cb ( B) 5.4. Termodinámica de reversibilidad El método termodinámico empleado en la derivación de la constante de equilibrios de aplicación general es aplicable a reacciones homogéneas y heterogéneas. Como la reacción ocurre a P y T constantes sus propiedades termodinámicas se pueden expresar en función de las energías parciales molares o potenciales químicos. Luego para la reacción 'G (cPC � dP D ) � (aP A � bP B ) Conociendo que el Potencial Químico de cada sustancia en cualquier estado está dado por: Pi Pi0 � RT ln ai , sustituyendo y transformándola se obtiene la Ecuación Isoterma de Reacción. 'GR T § aCc .aDd · 'G � RT ln¨¨ a b ¸¸ o 'GR © a A .aB ¹ 0 R 'GR0 � RT ln K En el equilibrio el Potencial Isobaro Isotérmico es igual a cero, despejando 'GR0 � RT ln Ke Luego Ke " � 'G 0 RT , donde Ke es la constante de equilibrio de la reacción química. La ecuación Isoterma de Reacción se puede plantear como 'GR0 §K · RT ln¨ ¸ , luego © Ke ¹ la relación existente entre K y Ke, determinan el valor del Potencial Isobaro Isotérmico. 5.5. Influencia de la temperatura en la constante de equilibrio. Ecuación de Van’t Hoff Para analizar la influencia de la temperatura se parte del equilibrio químico en la reacción 37 �'GR0 � RT ln Ke , derivando respecto a la temperatura a presión constante. ª w'G 0 º « » ¬ wT ¼ P ª w ln Ke º � RT « » � R ln Ke Multiplicando por T ¬ wT ¼ P ª w'G 0 º T« » ¬ wT ¼ P ª w ln Ke º � RT 2 « � 'G 0 . De acuerdo con la Ecuación de Gibbs » ¬ wT ¼ P Helmholtz, 'G 0 0 § 'H RT ¨¨ 2 © RT § w ln Ke · ¨ ¸ © wT ¹ P § w'G 0 · ¸¸ sustituyendo se obtiene la ecuación 'H � T ¨¨ w T © ¹P 0 · ¸¸ ¹ Casos particulares: 0 a- Cuando ∆Cp=0 'H RT § Ke · ln¨¨ 2 ¸¸ © Ke1 ¹ 'H R0 § T2 � T1 · ¨ ¸ � R ¨© T2T1 ¸¹ 0 integrando entre T1 y T2, 'H 298 § Ke · o log¨¨ 2 ¸¸ © Ke1 ¹ � 'H R0 § T2 � T1 · ¸ ¨ 2,303R ¨© T2T1 ¸¹ b- Cuando ∆Cp es dado por un polinomio ln Ke � 0 'H 298 T R § 1 1 · 'a 'b 'c 2 ¨¨ � ¸¸ � ln(T2 � T1 ) � (T2 � T1 ) � (T2 � T12 ) 2R 6R © T2 T1 ¹ R 5.6. Métodos aproximados de cálculo de las constantes equilibrio A partir de los datos termodinámicos es posible calcular el Potencial Isobaro Isotérmico y a su vez la constante de equilibrio mediante los métodos siguientes: I- Aproximaciones de Ulich a- Cuando ∆Cp no es función de la temperatura. Considerando que la capacidad calorífica no cambia con la temperatura, se cumple que ∆Cp=0, luego 'GT0 0 0 . En este caso tanto el calor de reacción 'H 298 � T'S298 como la variación de la entropía no dependen de la temperatura de reacción. b- Cuando ∆Cp no es función de la temperatura, pero se asume ∆Cp=a. Integrando entre 298 K y T. 38 �§ T · 0 'H 298 � T'ST0 � at (T � 298) � aT ln¨ ¸ © 298 ¹ 'GT0 'GT0 § 298 · § T · 0 'H 298 � T'ST0 � aT (1 � ¨ ¸ � ln¨ ¸ © T ¹ © 298 ¹ 'GT0 § T · § 298 · 0 � 1¸ 'H 298 � T'ST0 � aT ln¨ ¸�¨ ¹ © 298 ¹ © T Estas ecuaciones se pueden escribir de modo general 'GT0 f (T ) 0 'H 298 � T'ST0 � aTf (T ) donde: § T · § 298 · ln¨ � 1¸ , con ayuda de las tablas se puede calcular el termino f(T). ¸�¨ © 298 ¹ © T ¹ II- Método de Temkin-Shvartsman Cuando ∆Cp es función de la temperatura y se da por la serie exponencial, 'Cp 'f � 'ET � 'JT 2 Integrando se cumple que: 0 'H 298 � T'S T0 � T >'ff 0 (T ) � 'Ef 1 (T ) � 'Jf 2 (T )@ 'GT0 Donde las funciones f(T) o Mi, se determinan para cualquier temperatura con ayuda de tablas elaboradas con anterioridad o mediante las ecuaciones. M0 f0 § T · § 298 · ln¨ ¸ �1 y M n ¸�¨ © 298 ¹ © T ¹ Cuando 'Cp f n (T ) § T n · § 298n �1 · § 298 · ¨¨ ¸¸ � ¨¨ ¸¸ � ¨ ¸ © n(n � 1) ¹ © (n � 1)T ¹ © n ¹ 'D � 'ET � 'Jf 2 (T ) � 'Jf � 2T �2 , entonces el potencial se calcula mediante la ecuación: 'GT0 0 0 'H 298 � T'S298 � T >'ff0 (T ) � 'Ef1 (T ) � 'Jf 2 (T )@ � 'J 1 f � 2 (T ) Para calcular f1 (T ) M1 1 y f�2 2T (T � 298)2 M2 1§ 1 1· � ¸ ¨ 2 © 298 T ¹ 2 Los cálculos del equilibrio se facilitan mediante el uso de las tablas elaboradas preliminarmente. 39 �III- Método aproximado de Vladimirov La dependencia de la constante de equilibrio con la temperatura está dada por la ecuación de Vant Hoff. § w ln Ke · ¨ ¸ © wT ¹ p 0 'GRT 'H Rt0 , integrando ln Ke RT 2 � 0 'H RT � const. . Luego se cumple que: T 0 0 'H RT � T'S RT y conociendo que ∆G= - RTlnKe entonces ln Ke log Ke � � 0 'H RT 0 � 'S RT o RT 0 0 'H RT 'S RT � 4,573T 4,573R Al comparar las ecuaciones se identifica como constante el termino (const = 0,21858∆SRT) En el caso que ∆Cp=0, ln Ke § 'H R0 298 · �0,21858¨¨ � 'S R0 298 ¸¸ Por consiguiente, para © T ¹ cualquier reacción: log Ke 'M � 'N Donde 'M T 0 �0,21585'H R 298 y 'N 0 �0,21858'S R 298 Los valores de las funciones M y N se pueden encontrar tabuladas o se calculan a partir de ∆H0f y S0 de las sustancias que toman parte en la reacción. 40 �TEMA 6 MEDIDAS, CONTROL Y MONITOREO DEL AGUA La preocupación por la mejor utilización de las reservas de agua y la creciente complejidad de las instalaciones de tratamiento de agua, exigen un monitoreo constante de los parámetros del agua y así determinar sus características en dependencia del uso y su destino. Para poder gestionar el agua se deben tener los resultados de su composición, el nivel de precipitaciones, existencia de aguas subterráneas y superficiales, infiltraciones, características de los tratamientos del agua según su uso y/o depuración. El agua en su todo su curso sobre la tierra es sometida análisis, los más importantes son: x x Análisis de los parámetros de la lluvia caida. Red Hidrológica; Análisis de los parámetros de las aguas de las cuencas subterráneas. Red Hidrogeológica; x Análisis de los parámetros de las aguas de abasto. Estaciones superficiales y subterráneas; x Monitoreo de las plantas potabilizadoras. Por ejemplo, Acueducto; x Monitoreo del agua en plantas industriales. Por ejemplo, Termoeléctricas; x Monitoreo de las agua de riegos, pecuaria, piscicultura, etc.; x Análisis de agua de piscinas; x Análisis de las aguas residuales de industrias y estaciones de vigilancia. 41 �El nivel de impurezas de los contaminantes presente en el agua está en dependencia al tipo. El agua lluvia es casi pura, las aguas subterráneas normalmente de bajo contenido de sólidos en suspensión, pero ligeramente salinizada, las aguas superficiales en general, contienen sólidos en suspensión y baja salinización, las aguas potables con una composición en impurezas que permite usar para beber, en las plantas industriales se usan normalmente agua suavizada o agua desmineralizada y las aguas residuales que contiene un alto nivel de impurezas que son necesarias remover para su reuso. 6.1. Toma de muestra para el análisis de agua La toma de muestra para análisis de agua se puede realizar de diferentes formas, pero siempre teniendo en cuenta que esta sea lo más representativo posible del lugar muestreado y con qué fin se realice, así se tiene que se pueden realizar diferentes tipos de tomas de muestras. Para ello se debe tener en cuenta: x El tamaño de la muestra; x Precauciones para realizar el muestreo; x Muestras para pruebas bacteriológicas; x Toma de muestras de aguas residuales; x Consideraciones para el trabajo de análisis de las muestras en el laboratorio. Las técnicas de análisis de laboratorio y los analistas deben estar certificados por la norma ISO 17025, conociendo la incertidumbre en cada ensayo. En la implementación y mantenimiento de la acreditación están sometidos todos los laboratorios de agua en Cuba. 6.2. Parámetros comunes x Caudales Uno de los datos fundamentales a la hora de proyectar una planta de tratamiento es la cantidad de vertido por unidad de tiempo que va a llegar a la instalación. Esta 42 �cantidad o caudal depende de la población servida por la planta de tratamiento y de las costumbres en relación al uso de agua. Por ejemplo, para la misma población se observa que la cantidad de agua utilizada por día es mayor en pueblos que no tienen instalado un sistema de contadores individualizado. x Medidas de presión Las medidas de presión en las plantas de tratamiento de agua son muy numerosas: en la impulsión de bombas, en el recipiente a presión y en la operación de los filtros, etc. x Medida de temperatura La medida de temperatura del agua a tratar es interesante para obtener un funcionamiento óptimo de una planta, ya que, como es sabido, las velocidades de las reacciones químicas, los tiempos de floculación y las actividades microbianas son función de la temperatura del agua sometida a tratamiento. Las mediciones condensadores, de la temperatura de operación de las calderas, de los sistemas de enfriamiento son de los importantes sus determinaciones para conocer el estado de funcionamiento de los procesos. La medida de temperatura debe hacerse “in situ”. En una zona representativa de la masa de agua que se va a analizar. Se suele medir en zonas de corriente (no en aguas estancadas) La temperatura influye en la solubilidad de sales y gases y así condiciona la medida de pH y conductividad. La solubilidad de sales suele aumentar con la temperatura y la de los gases disminuye cuando la temperatura aumenta. La temperatura condiciona también el desarrollo de ciertas algas. El agua de consumo humano se recomienda entre 12 ºC–25 ºC aunque no existen límites de temperatura. Para vertidos industriales se establece una temperatura máxima de 40 ºC (en algunos casos hasta 50 ºC). La normativa exige que cuando estos vertidos se 43 �devuelven a los cauces públicos la variación de temperatura no sea superior a 3 ºC con respecto al valor nominal del cauce. 6.3. Técnicas de análisis El control de los parámetros físico-químicos y microbiológicos es muy importante tanto en los sistemas industriales como en la potabilización y depuración del agua. Sin embargo, en los lugares donde el agua es consumida por el hombre o es reutilizada, el factor de riesgo está asociado con la ingestión de agua con alto contenido de iones presentes y la exposición a agentes biológicos que incluyen bacterias patógenas, helmintos, protozoos y virus. En los usos industriales está más relacionado con los problemas de corrosión e incrustaciones de las superficies metálicas. Par poder conocer la composición y calidad de cualquier tipo de agua es necesario realizar determinaciones analíticas, para ello en los laboratorios se disponen de diferentes técnicas analíticas de acuerdo con las propiedades específicas que las determinan, existen determinaciones físicas, químicas, radiológicas, biológicas (microbiológicas) y otras. Las técnicas analíticas se basan fundamentalmente en: Técnicas gravimétricas, volumétricas e instrumentales. El análisis instrumental es ampliamente utilizado para determinar la calidad del agua mediante las técnicas potenciométricas, colorimetría en los rangos ultra violeta, visible e infrarrojo, espectrofotometría de llama, (emisión), espectrometría de absorción atómica, espectrometría de masa y cromatografía, etc. Los análisis más comunes son: Análisis organolépticos, análisis de los componentes más comunes, Análisis de las sustancias que influyen en la potabilidad del agua, Análisis de sustancias tóxicas, Análisis de los parámetros de la contaminación de aguas residuales, Análisis microbiológico. 6.3.1. Análisis organolépticos Las características organolépticas del agua se determinan por apreciación sensitiva y tiene carácter subjetivo y son: color, olor, sabor y turbidez. 44 �Medida del color Hay varios métodos para determinar el color, la norma cubana de agua potable 9302.1998 aplica la escala de platino. Concentración máxima deseable 5U y máxima admisible 15 U. La técnica consiste en comparar el agua analizar con soluciones de platino-cobalto de diferentes concentraciones. Se utiliza la escala siguiente 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50 y 70. El agua en principio es incolora. Las sustancias que lleve en disolución pueden darle una coloración “verdadera”, y además si lleva sustancias en suspensión puede llevar una coloración “aparente”. Por ejemplo: verde: algas, tonos amarillos-pardos: formas solubles de Fe y Mn y amarillo: desechos de cromato (CrO4-) Gustos y olores Apreciación. Agradable, no desagradable y desagradable. Para el agua potable se desea que el olor y sabor sean agradable y admisible no desagradable. Cuando la muestra de agua presenta olor siempre es signo de contaminación o de la presencia de materia orgánica en descomposición. Es más frecuente en aguas residuales o de vertidos. Las aguas potables no deben poseer ningún olor, salvo el característico del desinfectante (cloro), dentro de unos límites tolerables. No deben tener olor ni en el momento de la toma de muestra, ni transcurridos 10 días en un recipiente cerrado a una temperatura de 26ºC. El sabor de una agua puede deberse a la presencia de sales minerales, de materia orgánica o de partículas de tierra en suspensión en el agua. Ej. Sales minerales cloruros dan sabor salado, magnesio da sabor amargo, aluminio da sabor terroso. Materia orgánica algas verdes dan sabor a hierba, actinomicetos (hongos) dan sabor terroso, algas verde-azuladas dan sabor a podrido. Las aguas potables deben tener sabor débil y agradable. También puede dar sabor el agente desinfectante (cloro) y se tolera dentro de ciertos límites. Medida de la turbidez: Este indicador es proporcional al contenido de sustancias en suspensión (arcillas, limos, partículas de sílice, materia orgánica). Hay varios métodos para determinar la turbidez, la norma cubana aplica la escala de sílice. Concentración máxima 45 �deseable 5U y máxima admisible 10 U. Se expresa los grados que produce un mg de SiO2 /kg. Algunas de estas partículas se pueden eliminar por decantación o centrifugación, otras no. Las aguas de pozos y manantiales suelen ser transparentes. Las aguas superficiales (ríos, gargantas) suelen ser turbias debido al arrastre de partículas insolubles. En masas de agua (amblases, lagos, ríos, mares) la turbidez puede impedir el paso de luz a las capas inferiores deteriorando el desarrollo de vida en los fondos. Las aguas turbias son rechazadas por el consumidor aunque reúnan condiciones sanitarias aceptables. Deben ser transparentes. 6.3.2. Análisis de los componentes más comunes pH Este análisis comúnmente se realiza potenciométricamente. El pH será deseable para agua potable de 7 a 8 y máximo admisible de 6,5 a 8,5. Para los vertimientos de aguas residuales tratadas o no tratadas se encuentran aproximadamente entre 6 y 9. En caso de vertimientos a los cuerpos receptores se debe consultar las normas NC 27:1999 y NC XX: 2001. Sólidos en el agua x Sólidos en suspensión Los sólidos en suspensión es la fracción de sólidos totales que quedan retenidos en el filtro, pueden ser sedimentables cuando se eliminan por decantación, y no sedimentables cuando no se eliminan por decantación, sino por floculación. x Residuo seco Analíticamente es el contenido total de sólidos de un agua filtrada está definido como la materia que permanece como residuo después de una evaporación a 103105 oC. Para agua potable se desea como máximo 500 mg/L y admisible 1000 mg/L. Esta determinación puede realizarse también de forma conductimétrica y mediante un factor puede expresarse en mg/L. 46 �x Residuo recocido El residuo seco es una prolongación del análisis anterior y permite completar la información recibida. Para realizarlo se recose el residuo seco a temperaturas de 550 o C, con el cual su peso disminuye al eliminarse el agua cristalizada que retenían algunas sustancias y al volatilizarse las sustancias orgánicas y descomponerse lo bicarbonatos. Conductividad eléctrica Este indicador representa al contenido total de iones presente en el agua. Se determina por métodos conductimétricos en S/cm. La temperatura del agua afecta a la conductividad eléctrica de forma que su valor aumenta de un 2 a un 3 % por grado Celsius. Las conductividades de agua deben ser referidas a la temperatura de 20oC. En la práctica se acostumbra a relacionar la conductividad eléctrica y sólidos disueltos totales esta dada por la siguiente expresión: Sólidos disueltos totales (mg/L) = k * conductividad eléctrica del agua dS/m-1. Para determinaciones realizadas por diferentes investigadores con varios tipos de agua, esta expresión k se encuentra alrededor de 0,60 y 0,7, se acostumbra a tomar 0,66. Dureza total (Como carbonato de calcio) La dureza total del agua es igual a la suma de las concentraciones de los iones calcio y magnesio y ofrece un grado de la tendencia del agua a formar incrustaciones alcalinotérreas. Para agua potable la máxima deseable es de 100 y la admisible de 400 mg/L. Se determina por valoración volumétrica con solución de EDTA y eriocromo como indicador. También se puede determinar el magnesio y el calcio aparte con otros indicadores normas. Este es uno de los indicadores más importantes de los que se utilizan en la energética, los iones calcio y magnesio con varios aniones forman fácilmente incrustaciones primarias. 47 �Alcalinidad total En este indicador está contenida la representación de la suma de - los aniones - procedentes de ácidos débiles presentes en el agua (OH , HCO3 , CO3-, etc), así como los producidos por ácidos débiles. En forma experimental, la alcalinidad se determina por la valoración con ácido en presencia de indicadores ácido-alcalinos. La valoración con fenolftaleina el cambio de coloración ocurre a pH alrededor de 8,4 y con metilnaranja, el cambio de coloración ocurre a valores alrededor de pH 4, este indicador es uno de los términos para le cálculo del índice de Langelier o saturación. En el agua normal existe un equilibrio entre el contenido de carbonato-bicarbonatodióxido de carbono que depende y se desplaza de acuerdo con el pH del agua. A pH mayores que 8.3 solo existe carbonatos y a pH menores que 4.1 solo existe dióxido de carbono. Cuando el agua recibe presión estos elementos producen incrustaciones en la caldera y los que no se desplazan formar dióxido de carbono que debe ser eliminado por el deareador. La presencia de dióxido de carbono en la caldera de alta presión es indeseable porque baja los pH del sistema agua-vapor. La cantidad de carbonatos-bicarbonatos y dióxido de carbono en el agua se determina por medio de combinación de la valoración de su alcalinidad con fenolftaleína y metil naranja, ayudados por una curva de equilibrio de estos elementos en función del pH. 48 �TEMA 7 ANÁLISIS DE SUSTANCIAS QUE INFLUYEN EN LA POTABILIDAD DEL AGUA Calcio Este metal en forma iónica aporta dureza al agua. La determinación puede realizarse por diferentes métodos: volumétrico, fotometría de llama y absorción atómica. Para el agua potable la máxima deseable es de 75mg/L y la admisible de 200 mg/L en agua tratadas para calderas y sistemas de enfriamiento según las normas. Este ión es uno de los responsables de la formación de incrustaciones en el agua. En el caso de los sistemas de generación de vapor, operaciones de acabados textiles y en la limpieza y lavado en operaciones de acabado de metales, el agua usada en estos procesos deberá ser previamente suavizada o desmineralizada para eliminar totalmente el calcio. En los sistemas de enfriamiento su concentración en el agua de circulación es controlada para prevenir o minimizar la formación de incrustaciones de carbonato de calcio y otros tipos de sales de calcio. Además del intercambio iónico (suavizamiento y desmineralización), el calcio también puede ser eliminado hasta 35 mg/l, como CaCO3 mediante ablandamiento con cal en frío y en caliente ha menos de 25 mg/l CaCO3 por supuesto, que el intercambio iónico es mucho más eficiente pues puede reducirlo hasta menos de 1mg/l. El calcio está presente en muchos minerales, pero principalmente en el yeso CaSO4 y la caliza CaCO3. Magnesio Similar al calcio aporta dureza al agua. La determinación puede realizarse por diferentes métodos: volumétrico, fotometría de llama y absorción atómica. Para el 49 �agua potable la máxima deseable es de 30 y la admisible de 150mg/L. según la norma. Tiene propiedades muy similares a la del calcio, pero sus sales son en general más solubles y difíciles de precipitar, con la excepción del hidróxido de magnesio que es menos soluble. Cuando el contenido de Mg llega a varios centenares, le da al agua un sabor amargo y propiedades laxantes que pueden afectar su potabilidad. La eliminación del magnesio pude realizarse por intercambio iónico o mediante ablandamiento con cal. Sodio Todas las sales de sodio son muy solubles en el agua. El elevado contenido de cloruros en el agua de mar y salmueras está relacionado con el sodio, para el caso del agua de mar su concentración está entre 10 000 y 12 000 mg / L como Na y para el agua dulce entre 10 y 100 mg / L. El único proceso químico que elimina el sodio es el intercambio iónico. La evaporación y la osmosis inversa también lo reducen, obteniéndose una corriente con bajo contenido en sodio y una salmuera rica en sodio. Manganeso El manganeso se halla en muchos suelos y sedimentos, así como en rocas metamórficas. El ion manganeso se comporta en muchos aspectos de manera muy similar al hierro, además de actuar con cargas positivas 2 y 3 actúa con valencia �4 para formar el MnO2 insoluble. Cuando el agua está libre de oxígeno, él se encuentra en su forma soluble, es decir, como ion manganoso (Mn2� ). También se encuentra acompañando al hierro en los drenados ácidos de minas y en las aguas residuales de operaciones metalúrgicas. Es un material difícil de tratar porque puede formar una gran variedad de compuestos complejos, que depende de su estado de oxidación, pH equilibrio bicarbonato –carbonato-OH y de la presencia de otros elementos, particularmente el hierro. 50 �La forma tradicional de eliminarlo es mediante oxidación para llevarlo a Mn�3, su forma insoluble y de color negruzco, luego posteriormente se eleva en el pH a un rango entre 9,0 y 9,5 para después sepáralo del agua por clarificación o filtración. La concentración del manganeso en el agua potable está limitada hasta un valor máximo de 0,05 mg/L como Mn, concentraciones más altas ocasionan depósitos de manganeso y manchas de color negro en la ropa, tuberías, baños etc. En los sistemas industriales causa problemas en la manufactura textil y en el blanqueo de pulpa para el papel, para estos casos se recomienda mantener concentraciones inferiores a 0,01mg / l. El agua en pequeñas concentraciones produce color al agua que mancha los materiales metálicos. Para agua potable la máxima deseable es de 0,05 y la admisible de 0,1 mg/L. Se realiza por los métodos: colorimétricos y de absorción atómica. Hierro total El hierro se encuentra presente en muchas rocas ígneas y minerales arcillosos. El ion hierro se puede presentar como ion Fe2� o en la forma oxidada del ion férrico Fe3�, la estabilidad de las distintas formas químicas depende del pH, condiciones oxidantes o reductoras del medio, composición de la solución, presencia de materias orgánicas acomplejantes etc. La concentración del hierro soluble en él depende del tipo de agua; en aguas subterráneas, el hierro es del tipo Fe2� y su concentración varía normalmente de 0 a 10 mg/L. Sin embargo, al airearse o salir a la superficie se produce una oxidación del Fe2� (soluble) a hierro Fe3� insoluble, disminuyendo su concentración y tornando al agua a un color pardo –rojizo. Las aguas con hierro se denominan aguas rojas debido a las manchas de ese color que genera este elemento. Si la oxidación se produce a un pH entre 7,0 y 8,5 el hierro Fe2� puede llegar a valores muy bajos en el agua. Este proceso es el que se realiza para disminuir el hierro de valores de 0,3 o menos como Fe2, que es el parámetro establecido por las normas de potabilidad. Otra forma de eliminar el hierro es mediante intercambio iónico por coagulación y por filtración. 51 �Para agua potable la máxima deseable es de 0,1 y la admisible de 0,3 mg/L. Se realiza por los métodos: colorimétricos y absorción atómica. Cloruros Su presencia, en cantidades superiores a estos valores puede imprimirle al agua sabor salino. Para agua potable la máxima deseable es de 200 y la admisible de 400 mg/L. Los cloruros suelen determinarse por precipitación, en forma de sal de plata, volumétricamente valorando con nitrato de plata. Floruros Es un elemento muy común de muchos minerales. Tiene una gran importancia su presencia en las aguas municipales ya que controla las caries dentales, para este caso el residual de flúor en el agua es de 1,5 a 2,5 mg / l, como flúor, sin embargo, este residual debe ser muy bien controlado, porque valores mayores de 5 mg / l, producen manchas y fragilidad en los dientes. Es por esa razón es que su concentración está limitada por las normas de potabilidad. La eliminación del flúor se puede realizar mediante precipitación con cal, intercambio iónico y por adsorción con en fosfato cálcico e hidróxido de magnesio. El flúor forma depósitos de CaF2 en los sistemas de enfriamiento. Sulfato Su presencia en el agua es de la disolución de ciertos minerales especialmente el yeso. También está presente por la oxidación de materiales sulfurados. El rango típico en aguas dulces es entre 5 y 200 mg/L, como SO4, en el agua potable su valor está limitado hasta 250 mg/L debido al gusto y a su efecto catártico. El sulfato de calcio es relativamente insoluble, menos de 2000 mg/L, por lo tanto, puede ocasionar problemas de incrustación en aquellos sistemas con evaporación que tengan alto contenido de calcio. La concentración de ion sulfato en el agua puede reducirse mediante intercambio iónico o con clarificación con cal o cal – aluminato. 52 �Nitratos Su fórmula química es el NO3-, al igual que el amoníaco está presente en el agua por disolución de minerales, forma sales muy solubles y bastante más estables aunque en un medio reductor puede pasar a nitrito, nitrógeno o amoníaco. En aguas normales su concentración puede ser menor de 10 mg/L, como N y en agua de mar puede alcanzar hasta 1 mg / l. Pero en las aguas contaminadas, principalmente por fertilizantes, la concentración pude llegar hasta varios centenares de mg/L. El nitrato se elimina mediante intercambio iónico o también mediante sistemas biológicos donde se convierte a nitrógeno por medio de bacterias nitrificantes. Las normas de agua potable admiten hasta 45 mg/L de nitratos. Los nitratos y nitritos a concentraciones elevadas en el agua pueden reaccionar con la hemoglobina. Nitritos No deben estar presentes en las muestras de agua potable pues forman sustancias cancerígenas al reaccionar con las aminas secundarias y terciarias de los alimentos. La norma cubana 93-02 es muy exigente sobre el máximo permitido en agua potable de nitritos, se admite has 0,01 mg/L. Amonio La presencia de ion amonio (NH4) es un indicio de contaminación del agua haciéndola impotable o sospechosa de estar contaminada con materia orgánica o con fertilizantes. El límite permisible de amonio por la Norma cubana de agua potable es de 0,5 mg/L. Sílice La sílice es un elemento no deseable en los vapores de los generadores de vapor que cuyo destino final sea turbinas de generación de electricidad, ya que la misma produce incrustaciones muy duras dentro de los alabes de las turbinas, descompensándolas y produciendo roturas en las mismas. Por lo tanto, el contenido de sílice en los vapores debe ser menor que 20 microg/L para todos los casos. 53 �Para mantener estos valores es necesario mantener un contenido de sílice en el agua del domo que produce este vapor el cual depende de la presión de la caldera, a mayor presión debe ser menor el contenido de sílice en esta agua; esto se logra mediante un eficiente tratamiento externo del agua y control adecuado de las extracciones en el tratamiento interno. La sílice se determina por lo general por métodos calorimétricos. Se encuentra disuelta en el agua en forma de ácido silícico (H4SiO4) y como materia coloidal. Las aguas naturales contienen normalmente entre 1 y 40 mg/l como SiO2, sin embargo, en algunos casos puede alcanzar valores de hasta 100 mg/l o más. La eliminación de la sílice se consigue principalmente por intercambio iónico (la reactiva) y la coloidal solo se puede eliminar durante el proceso de ablandamiento con cal en caliente mediante el uso del magnesio. 54 �TEMA 8 TIPOS DE PROCESOS PARA LA REMOCIÓN DE CONTAMINANTES 8.1. Procesos físicos Los procesos físicos son aquellos en los que predomina la acción de las fuerzas físicas y se conocen como operaciones físicas unitarias; los más importantes son los siguientes: desbaste, tamizado, trituración, mezclado, desengrase, desarenado, sedimentación, floculación, flotación, filtración y transferencia de gases. Desbaste Los objetivos de esta operación son proteger a la estación de la posible llegada intempestiva de grandes objetos flotantes capaces de provocar obstrucciones en las distintas unidades de instalación y evacuar las materias voluminosas arrastradas por el agua bruta, que podrían disminuir la eficacia de las operaciones siguientes, o complicar la realización de los mismos. Para la realización de esta operación se realizan rejas mecánicas. Tamizado Tamizado, para eliminación de partículas en suspensión: x El tamizado es una filtración sobre tela o metálica, que se utiliza en numerosos campos del tratamiento del agua. Según las dimensiones de las mallas, se distinguen el macrotamizado y el microtamizado. x El macrotamizado (malla superior a 0,3 mm) se emplea para retener ciertas materias en suspensión, flotantes o semi-flotantes, residuos vegetales o animales, insectos, ramas, algas, hierbas, etc. 55 �x El microtamizado (malla inferior a 300 micras) se utiliza para retener materias en suspensión de muy pequeñas dimensiones, contenidas en las aguas de consumo y en las aguas residuales. Dilaceración o trituración Trituración de los elementos retenidos en el desbaste (sistema útil cuando se quiere evitar la problemática de las rejillas y extracción de subproductos). Esta operación se aplica en especial, a las aguas residuales. Tiene por objeto desintegrar las materias sólidas arrastradas por el agua. Estas materias en lugar de separarse del efluente bruto, se trituran y continúan en el circuito del agua hacia las siguientes operaciones del tratamiento. El interés de este proceso consiste en que se suprime la evacuación y la descarga de los residuos de la reja. Sin embargo, en la práctica, presenta varios inconvenientes, en especial, la necesidad de una atención frecuente sobre un material bastante delicado, el peligro de obstrucciones de tuberías y bombas provocadas por la acumulación en masas de las fibras textiles o vegetales unidas a las grasas, y la formación de una costra de lodo en los digestores anaerobios. Desarenado El desarenado tiene por objeto extraer del agua bruta la grava, arena y partículas minerales más o menos finas, con el fin de evitar que se produzcan sedimentos en los canales y conducciones, para proteger las bombas y otros aparatos contra la abrasión. El desarenado se refiere normalmente a las partículas superiores a 200 micras. Desengrasado Desengrasado, para eliminación de los distintos tipos de grasas y aceites presentes en el agua residual. Los aceites y grasas, generalmente menos densos que el agua, tienden velocidad a subir a la superficie. Por ello, todo dispositivo en el que se reduzca la de flujo y que ofrezca una superficie tranquila, actúa como separador de grasas. Los equipos más usados son las trampas de grasas. 56 �Sedimentación La sedimentación es la deposición de partículas que se encuentran en suspensión en el agua, tanto si se trata de partículas sin tratamiento químico (conocida como sedimentación natural), como si se deben a la acción de un reactivo químico añadido artificialmente (coagulación, eliminación de hierro, suavización química, etc.). Floculación y coagulación La conversión de los coloides en partículas de tamaño suficiente como para ser retenidas por filtración o sedimentación se denomina comúnmente Floculación. En realidad la operación de conversión de coloides en partículas filtrables o sedimentables consta de dos pasos: coagulación y floculación. Coagulación La razón por la que el color y las partículas muy finas no pueden ser eliminados por simple sedimentación o filtración se debe al tamaño extraordinariamente pequeño de las partículas que constituyen dichas impurezas. Estas partículas están sujetas a fuerzas superficiales que no tienen importancia cuando se trata de materia gruesa, pero que en tamaños muy pequeños resultan decisivas. Las fuerzas superficiales mencionadas son las causantes de que las partículas de material en suspensión queden recubiertas por los iones o electrólitos que contiene el agua, principalmente los de carga negativa. La repulsión mutua de estas cargas hace que las materias sólidas permanezcan en suspensión por tiempo indefinido, ya que no se aglomeran para alcanzar tamaños suficientes que permitan sedimentar. La coagulación consiste, en términos simplificados, en la neutralización de las cargas eléctricas que recubren las partículas sólidas, de modo que estas puedan unirse entre sí. Dicha neutralización se realiza de un modo muy sencillo mediante sustancias que contengan iones positivos. Los más frecuentes son el Al+++ y el Fe+++ (aluminio y hierro trivalentes). Estas sustancias suelen tener la propiedad de formar precipitados muy voluminosos, y la función que realizan, una vez neutralizadas las 57 �cargas negativas, es aglomerar las pequeñas partículas hasta formar “flóculos” lo bastante gruesos para sedimentar con rapidez. x Factores que afectan la calidad de la coagulación La coagulación es la neutralización y deshidratación de los coloides y la conversión en microflóculos. Durante la coagulación las cargas eléctricas son eliminadas completamente o parcialmente por la acción de iones con carga opuesta. De este modo las fuerzas de unión permiten la formación de los microflóculos. En la coagulación una vez que se han neutralizado todas las cargas, un exceso de coagulante o una variación de pH puede provocar la transformación de las partículas coloidales en microflóculos, mediante un proceso reversible o de equilibrio. Coloide + coagulante microflóculo. Coagulantes normalmente más empleados Sulfato de aluminio: Es el coagulante empleado con más frecuencia en la simple clarificación o en el ablandamiento mediante cal. Es relativamente fácil de disolver en agua y se suele empezar siempre con él en el “Jar Test”. Su intervalo de pH es de 5,5 a 8 para clarificación y de 9 a 10,5 para ablandamiento. Puede formar hidróxido (Al (OH)3) si el pH es mayor que 8,5. Sulfito férrico: Muchas veces da mejor resultado que el sulfato de aluminio para aguas muy turbias y para ablandamiento. Su zona de trabajo oscila entre un pH de 8 a 11. Para eliminación de color varía entre 5 y 6. Cloruro férrico: Con frecuencia resulta más efectivo que los demás coagulantes, sobre todo en la clarificación de aguas residuales y en la coagulación a bajo pH. Sulfato ferroso: Se ha utilizado durante mucho tiempo y se utiliza de la misma forma que el sulfato de aluminio. En aguas que contengan oxígeno forma hidróxido férrico, para lo cual requiere 0,03 partes de 02 por cada parte de FeS04 7H20. En las que no lo contengan o estén muy contaminadas, se obtiene un precipitado verdeazulado de hidróxido ferroso. 58 �Aluminato sódico: Su principal aplicación está en el ablandamiento con cal. Es alcalino y se puede mezclar con sosa o cal en los tanques de disolución. En plantas pequeñas su empleo permite el ahorro de un dosificador de coagulante. En presencia de calcio y magnesio forma sales muy insolubles, de tal forma que no queda aluminio disuelto en el agua en cantidades detectables. Sulfato de aluminio con aluminato: La combinación de estos coagulantes, alimentados por separado, es muy efectiva en bastante casos. La alcalinidad del aluminato puede ser suficiente sin necesidad de añadir álcali para ajustar el pH. Es frecuente encontrar que el resultado obtenido con esta combinación es mejor que con igual dosis de uno de ellos solo, a igual pH. x Las principales reacciones de coagulación 1- Al2 (SO4)3 (ac) + 3 Ca (CO3H) 2 (s) = 2Al (OH) 3 (s) + 3CaSO4 (ac) + 6CO2 (g) 2- Al2 (SO4)3 (ac) + 3CO3Na2 (s) + 3H2O = 2Al (OH) 3 (s) + 3Na2SO4 (ac) + 3CO2 (g) 3- Al2 (SO4)3 (ac) + 6NaOH (s) = 2Al (OH) 4- 2 Fe Cl3 (ac) + 3 Ca (CO3H) 2 5- Fe2 (SO4)3 (ac) + 3 Ca (CO3H) 6- FeSO4 (ac) + Ca (OH) 6- 4Fe (OH) x 2 2 3 (s) + 3Na2SO4 (ac) (s) = 2Fe (OH) 2 3 (s) + 3CaCl2 (ac) + 6CO2 (g) (s) = 2Fe (OH)3 (s)+ 3CaSO4(ac) + 6CO2 (g) (s) = Fe (OH) 2 (s) + CaSO4 (ac) (ac) + O2 (g) = 4Fe (OH) 3 (s) Factores que afectan la calidad de la coagulación 1. Naturaleza de la materia en suspensión, color, turbiedad, materia orgánica, ect. 2. Iones o electrólitos presentes en el agua 3. Temperatura y Ph del agua 4. Velocidad y orden con que se agregan los reactivos 59 �x Reglas generales para realizar el proceso de coagulación a) Existe una dosis mínima de coagulante por debajo de la cual no se obtienen resultados satisfactorios. b) Deben de estar presentes algunos aniones fuertes. c) El Ph del agua debe de mantenerse dentro de los límites estrechos. d) La temperatura favorece el efecto de la coagulación, de manera de a menor temperatura se requiere mayor dosis de coagulante. x Sustancias o reactivos que deben de tenerse en cuenta, además del coagulante para el proceso x Álcalis, para elevar el pH y favorecer la precipitación; x Oxidantes (cloro o hipoclorito, principalmente), para destruir Las materias orgánicas que suelen dificultar la coagulación; x Productos “ayuda de coagulante”, que amplían la zona óptima de aplicación del mismo; x Productos densificadores, para aumentar el peso específico de los flóculos; x Absorbentes, para eliminar olores y sabores del agua. La eficacia de los coagulantes de base hierro y aluminio está ampliamente documentado y probado. Las aguas con poca carga contaminante, como la clarificación de agua potable, tienen poca repercusión en los consumos de coagulantes y la posterior formación de lodos. Los coagulantes orgánicos son polímeros formados a partir de monómeros de pequeño tamaño y fuerte carga, lo cual permite concentrar en una sola molécula 60 �multitud de cargas. Los más comunes son poliamidas terciarias y cuaternarias y los derivados del polidialquil-dimetilamonio. Los coagulantes orgánicos han comenzado a utilizarse en aguas residuales industriales; aportan una mayor efectividad y una importante reducción de lodos. Floculación La floculación es la aglomeración de los microflóculos hasta formar macroflóculos visibles y posteriormente ser filtrados o separados por decantación. En la floculación propiamente dicha, se forman los flóculos visibles como resultado de reacciones químicas en las superficies de los coloides coagulados, siendo un proceso irreversible. Coloide+ coagulante microflóculo macroflóculo Los macroflóculos solo serán destruidos por procesos mecánicos, como agitaciones excesivas o bombeo. Filtración La filtración se puede definir como el proceso por el cual se separa la materia suspendida, mediante el paso del agua a través de una capa porosa (generalmente arena) que retiene las partículas en suspensión. La filtración puede ser natural o artificial. La filtración artificial puede hacerse por medio de filtros de arena por gravedad, a presión y a vacío. La arena ha sido usada universalmente como materia filtrante tanto para filtros por gravedad y a presión. La arena puede ser calificada de acuerdo con la variación del tamaño y su distribución, formas y sus variaciones, peso específico y composición química. Aereación La aeración es un proceso, en el cual consiste en mezclar agua con aire, la mezcla puede hacerse en forma de pequeñas películas, gotas y/o spray. La aeración puede ser empleada en el tratamiento de aguas municipales para remover ciertos olores, producto de la descomposición de las algas y en el 61 �tratamiento de aguas residuales, la aereación es usada para promover la oxidación biológica de la materia orgánica. El método de aereación por desgasificación elimina fundamentalmente C02, cuando el aire se pone en contacto con el agua el C02 es arrastrado por fenómeno desorción. Este tratamiento es utilizado después de los cationitos, ya que las aguas son ricas en ácido carbónico y C02 y permite de una forma económica eliminar los aniones carbonatos y bicarbonatos que en la desmineralización serían necesarios entonces, intercambiarlos en los anionitos fuertes. Desgasificación con vapor La desareación térmica elimina todos los gases presentes en el agua, mediante los efectos combinados de la baja solubilidad de los gases en el agua a la temperatura cercana a ebullición y la aplicación de las leyes físicas de Henry y Dalton. La desareación térmica es aplicada para eliminación de gases, sobre todo oxígeno y dióxido de carbono, al agua de alimentación de los generadores de alta presión. Destilación La destilación (evaporación y condensación del agua) por el alto costo de explotación, se utiliza para la desalinización de pequeños volúmenes, como es el caso de los destiladores de los laboratorios químicos y en generación de vapor que se utilizan pequeños gastos de agua de reposición menor del 3 % del agua de alimentación y el agua inicial sea muy mineralizada. 8.2. Procesos químicos Los métodos de tratamiento con la eliminación o conversión de los contaminantes y la adición de productos químicos o gracias al desarrollo de ciertas reacciones químicas, se conocen con el nombre de procesos químicos unitarios, entre los cuales se pueden encontrar la precipitación química, desoxigenación química, intercambio iónico, electrodiálisis y osmosis inversa. 62 �Suavización - precipitación La suavización por precipitación consiste en la eliminación de los cationes formadores de incrustaciones por medio de la adición de reactivos químicos como hidróxido de cal y de sodio, carbonato de sodio y fosfatos, cuyos aniones forman sales insolubles con los cationes de calcio y magnesio. Estas sales son: carbonato de calcio, hidróxido de magnesio, fosfato de calcio y fosfato de magnesio, las cuales son eliminados en los filtros y en las extracciones de los equipos. Estos métodos por precipitación tienen baja eficiencia no mayor del 70 %, por lo cual se usan combinados con otros métodos. Un ejemplo de ablandamiento por precipitación usando hidróxido de calcio está fundamentado en las reacciones siguientes: Las primeras reacciones que tienen lugar durante la descarbonatación mediante hidróxido de calcio son las siguientes: HCO3- (ac) + OH- (ac) = CO3= (ac) + H2O (l) (1) CO3= (ac) + Ca2+ (ac) = CaCO3 (s) (2) Además de las reacciones con el ión bicarbonato, el hidróxido de calcio reacciona con el Dióxido de carbono presente en el agua para formar CaCO3 CO2 (g) + Ca (OH) 2 (s) = CaCO3 (s) + H2O (l) (3) La cal, a continuación, reacciona con el magnesio para formar el hidróxido de magnesio insoluble en agua. Mg2+ (ac) + Ca (OH) 2 (s) = Mg (OH) 2 (s) + Ca++ (ac) (4) Este método solo elimina la dureza carbonatada debido a la precipitación del CaCO3 y el Mg (OH)2. La formación de precipitados en el proceso de la descarbonatación con cal es muy lenta en ausencia del núcleo de cristalización. Para superar este problema se suelen utilizar clarificadores de recirculación de fangos. Estos clarificadores permiten que el agua y el Ca (0H)2 entren en contacto con un gran volumen de cristales de CaCO3 previamente precipitados, facilitando que las reacciones de descarbonatación de la 63 �cal alcancen rápidamente el equilibrio. Los depósitos de CaCO3 recién formados crecen sobre los cristales (sólidos) previamente formados. El proceso de precipitación mediante cal hidratada reduce la dureza temporal. Cuando se requiere la reducción de la dureza permanente se adiciona carbonato sódico (sosa) junto con un exceso de cal (proceso cal-sosa). La concentración de sílice en el agua bruta también se reduce mediante el proceso de descarbonatación por cal-carbonato si se añade MgO o sales de hierro y aluminio (cloruro férrico y aluminato sódico al clarificador. Al añadir las dosis convenientes de CL3Fe, Al2O4Na2 y Ca (OH)2 se forma con la sílice del agua bruta un precipitado que contiene Carbonato de Calcio y un complejo de Sílice, Aluminio y Hierro Desoxigenación química Esta tiene el objetivo de disminuir el contenido de oxígeno en algunos procesos para disminuir la corrosión de las instalaciones metálicas. Se puede hacer con un reductor fuerte, los más usados son el sulfito de sodio y el hidrato de hidrazina. El sulfito de sodio tiene las desventajas de producir sulfato de sodio. Se aplica solamente a generadores de vapor de baja presión. 2Na2SO3 (ac) + O2 (g) (2 Na2SO4 (ac) El hidrato de hidrazina es muy utilizado en las calderas de alta presión, porque no produce impurezas dañinas. N2H4.H2O (ac)) + O2 (g) N2 (g) + 3H2O (l) El nitrógeno es un gas inactivo que puede ser eliminado en la desgaficación térmica. Intercambio iónico El método de tratamiento por intercambio iónico se basa en la capacidad que poseen ciertas sustancias, llamadas resinas de intercambio iónico o ionitos, de variar al sentido deseado la composición iónica del medio. Los ionitos pueden intercambiar cationes (cationitos) o aniones (anionitos), en la actualidad hay numerosas firmas comerciales que fabrican diferentes tipos de ionitos. 64 �Para lograr el tratamiento del agua por intercambio iónico, se hace pasar esta a través de una masa intercambiadora. Al cruzar por entre los granos del ionito, el agua intercambia parte de los iones de los electrolitos disueltos en ella con una cantidad equivalente de iones del ionito, por lo cual se cambia la composición iónica del agua y del propio ionito. El tratamiento del agua por los métodos de intercambio iónico se diferencian de los de precipitación en el hecho de que en estos no se forman lodo y que no exigen la dosificación permanente de reactivos químicos. Esto conduce a que las instalaciones de tratamiento por intercambio iónico sean más sencillas, con menos volumen de aparatos y se obtenga un efecto en el tratamiento superior a los obtenidos con los métodos de precipitación. La capacidad de los ionitas para el intercambio iónico se explica por su estructura específica, que consiste en una red molecular sólida no soluble en agua, a la cual en distintos lugares, tanto en la superficie como en su interior, están unidos grupos funcionales de átomos del ionita químicamente activos. Como resultado de la disociación electrolítica del ionita, alrededor del núcleo no soluble en agua se forma una atmósfera iónica, la cual es un espacio limitado alrededor de la molécula del ionita en el que los iones móviles pueden intercambiarse. El intercambio iónico permite suavizar el agua (eliminación de calcio y magnesio) y desmineralizar el agua (eliminación de los iones presentes). Este proceso es posible mediante el uso de material natural o artificial que permite la adsorción de diferentes aniones y cationes que contiene el agua. Las resinas de intercambio pueden ser de varios tipos: ƒ Catiónica débil ƒ Catiónica fuerte ƒ Aniónica débil ƒ Aniónica fuerte La estructura química de las resinas viene dada por una matriz polimérica, un agente de entrecruzamiento (divinilbenceno) y un grupo funcional, quien es el que intercambia los iones con el agua como se muestra en la Figura 5. 65 �Fig.5. Estructura química de las resinas de intercambio iónico. Las resinas de intercambio iónico se clasifican según como se muestran en la Tabla siguiente: Tabla.6. Clasificación de las resinas iónicas Tipo de resina Grupo funcional Fórmula química Catiónica fuerte Sulfónico -SO-3 Catiónica débil Carboxílico -COO- Aniónica fuerte tipo I Aminas cuaternarias -CH2N+(CH)3 Aniónica fuerte tipo II Aminas 2o y 3o -CH2N+(CH3)2CH2OH Aniónica débil Aminas 3o -CH2NH2 A. Método de suavizamiento por intercambio iónico en ciclo sodio A partir del desarrollo de las resinas de intercambio iónico se desarrolla el método de suavizamiento por intercambio iónico en ciclo sodio, este método consiste en el uso de un recipiente el cual contiene un volumen de resina, la que posee una capacidad de intercambio expresada en meq / L o meq / g, siendo la primera la más 66 �usada, el método del intercambio iónico en columna comprende 4 fases o etapas que son: Agotamiento: en la cual la resina está en contacto con el agua a tratar y es donde se eliminan los iones de calcio y magnesio presentes, esta habilidad para adsorber los iones se denomina capacidad útil de la resina y es determinada mediante la información que brinda el fabricante de la resina. Contralavado: consiste en la introducción de un flujo de agua a contracorriente que permite eliminar las impurezas que durante el proceso de agotamiento se depositan en la resina por el agua. Esta operación es de suma importancia pues en ella se eliminan las impurezas mecánicas tal como dijimos, pero además se elimina los restos de resina fraccionada los cuales afectan la distribución de flujo a través de la sección transversal del equipo y permiten un mejor contacto entre el regenerante y la resina. Regeneración: Esta operación es de gran importancia pues con ella se restituye la capacidad de intercambio de la resina para el próximo ciclo de agotamiento. Para efectuar la regeneración se debe determinar el nivel de regeneración que representa la cantidad de regenerante por unidad de resina instalada generalmente como kg/M3 de resina, el nivel de regenerante adoptado es una función de la capacidad de intercambio de la resina, a mayor nivel mayor capacidad de intercambio este se toma en un límite que sea económicamente permisible. La efectividad de la regeneración también depende de la concentración del regenerante ,así como, de la velocidad del flujo y del tiempo de inyección del mismo, el cual se toma generalmente de 45-60 minutos. Para el caso que nos interesa del suavizamiento la resina se regenera con una solución de NaCl del 8-12 %; concentraciones mayores no afectan la capacidad de intercambio. Analicemos un ejemplo de cálculo y para ello emplearemos la expresión general del intercambio iónico donde: Vr = Q.S.T/ Cu 67 �Donde: Vr = volumen de resina Q = flujo de agotamiento M3/h T = tiempo de agotamiento Cu = capacidad útil en meq/l S = salinidad en este caso la dureza presente en el agua en meq/l Ejemplo de cálculo: Sea un suavizador que posee un volumen de resina catiónicas fuerte de 1m3 .Se toma del gráfico del fabricante para una dureza del agua de 250 ppm como CaCO3 un nivel de regeneración de 160 kg/M3. Para efectuar la regeneración se utilizará una solución al 12 %, a partir de una solución saturada de NaCL al 26% que tiene un contenido de 311 kg al 100 % de NaCl/M3 de solución al 26%. Los kg de sal pura al 100% son igual a 160 kg pero como tenemos que preparar una solución al 12 % el volumen de dicha solución será 160/130 = 1,2 m3 y el volumen de solución concentrada será de 160/311 = 0,51 m3 = 51 litros por lo tanto el volumen de agua de dilución será de 1,2-0,51 = 0,69 m3 ,el tiempo de inyección lo tomaremos como 55 minutos, por lo tanto el flujo de inyección será de 1200L/55min = 21,8 L/min. =1,31m3/h. Enjuague: después de efectuada la regeneración esta debe ser enjuagada para eliminar los restos de regenerante que quedan en el equipo; el enjuague se divide en dos etapas, la primera se efectúa a la misma velocidad con que se efectuó la regeneración y su objetivo es consumo de agua es de terminar el proceso regenerativo, el aproximadamente 1,5 volúmenes de Posteriormente se continúa enjuagando a la velocidad de operación resina. o de agotamiento, siendo este el llamado enjuague rápido. Criterios de agotamiento: Durante la operación de agotamiento se debe tener un criterio de cuándo el ciclo de agotamiento ha terminado. Existen dos criterios, el primero es dar por agotado el equipo cuando en el efluente aparecen trazas de dureza, este criterio tiene como ventajas la no formación de incrustaciones en calderas, equipos térmicos etc. Tiene como principales desventajas menor 68 �volumen de agua por corrida, mayor número de regeneraciones y consumo de regenerante. El segundo criterio se aplica a partir de considerar agotado el suavizador cuando se alcanzan valores de 5-10 ppm de dureza en el efluente, este criterio tiene como desventaja la posibilidad de la formación de incrustaciones en menor tiempo que en el caso anterior, pues ahora 10 ppm representan 0,2 meq/L de fuga de dureza y en el caso anterior cero dureza representa en realidad 0,036 meq/L. El segundo criterio tiene como ventajas mayor volumen de agua producida por corrida y ahorro de regenerante al disminuir el número de regeneraciones. Todo lo anterior se muestra en la siguiente figura 3. Fig 6. Curva de agotamiento. 69 �Fig. 7. Esquema del intercambio de un suavizador. B. Métodos de suavizamiento con resinas aniónicas y resinas catiónicas débiles Entre sus desventajas está la eliminación de los cationes calcio y magnesio del agua, este tratamiento se conoce también como desalcalinización. En este proceso se debe poseer dos sistemas de regeneración, uno ácido para las resinas catiónicas débiles y otro con sal para los suavizadores en ciclo sodio. El uso de los cationes débiles se fundamenta cuando se cumple la relación Dt / M t 1. Este sistema lleva acoplado una torre descarbonatadora, para eliminar el CO2 formado. 70 �Fig.8. Esquema de suavizamiento con resinas aniónicas débiles y catiónicas fuertes. Este sistema también tiene una variante, usando resina aniónica fuerte en ciclo cloruro y presenta el inconveniente de la baja capacidad de la resina aniónica. 71 �Desmineralización. Concepto La desmineralización es el proceso mediante el cual se eliminan las sales disueltas iónicas y no iónicas y gases presentes en las aguas naturales. La desmineralización se puede lograr mediante diferentes métodos entre ellos tenemos, por ejemplo: La destilación del agua, la desmineralización por intercambio iónico y mediante los procesos de membrana entre los cuales se destaca la osmosis inversa, la electrodiálisis, la nano filtración, etc. La desmineralización del agua por intercambio iónico es el proceso que logra obtener un agua libre de suspensiones sólidas y coloidales y que tenga una disminución considerable de impurezas iónica molecular, no elimina microorganismos ya que se hace a temperatura ambiente. La utilización del método de intercambio iónico es conveniente cuando el contenido de sales en el agua inicial se encuentra por debajo de 1000 mg/L, a concentraciones mayores no es justificable por índole económico. Forman parte de estas instalaciones de desmineralización por intercambio iónico, los procedimientos de clarificación, los filtros de H-cationización, los descarbonatadores y los filtros anicónicos. Como línea general se procura que los productos de las reacciones de intercambio sean los iones oxidrilo e hidronio para evitar el incremento de sales en el agua. A- Desmineralización por intercambio iónico Esta se efectúa en la actualidad mediante el uso de resinas de intercambio iónico que son polímeros de condensación: El etileno y el divinil-benceno. Un paso importante en la tecnología del intercambio iónico ocurrió en 1944 cuando D Alelio produjo la primera resina de polimerización basada en un reticulado de polyestireno y mediante una apropiada reacción química de este material fue posible la introducción de grupos sulfónicos y la obtención de un intercambiador catiónico. Posteriormente fue posible la introducción de grupos aminos y se obtuvieron resinas aniónicas fuertes y débiles debido a que el reticulado de polyestireno es químicamente estable, mucho más que las resinas de tipo fenol-formaldehido; estas resinas son producidas en forma de esferas mediante la polimerización de la suspensión en agua de un monómero del estireno y como agente reticulante de divinilbenceno, de cierta forma el material polinerzado solidifica en esferas duras transparentes el tratamiento 72 �con ácido sulfúrico u óleum, produce la introducción de los grupos sulfónicos. La introducción de grupos básicos requiere 2 reacciones, primero se introducen los grupos de clorometilo, en presencia de un catalizador y posteriormente se hacen reaccionar con una amina. Este tipo de resinas son las más usadas hoy en día, aunque están otras tales como: las acrílicas a partir de la polimerización de ácido meta acrílico con el divinilbenceno. x Intercambio iónico para ablandamiento del agua El primer cambiador iónico fue la zeolita sódica y es la más común de todas. El agua atraviesa un lecho de zeolita que intercambia los iones de sodio por los iones Ca y Mg. El agua así tratada, llamada blanda, se emplea para alimentar calderas y muchos tipos de procesos químicos. La mayoría de las resinas son materiales sintéticos plásticos tales como copolímeros de estireno y divinilbenceno. Para la eliminación de la dureza total de aguas duras (más de 200 ppm) debe usarse una instalación que consta de tres etapas: (Para calderas de baja y media presión) 1ª etapa: Desalcalinización mediante catión débil (resinas ZH+) Los bicarbonatos disueltos en el agua son causantes de alcalinidad. Con el catión débil se consigue de forma efectiva, simple y segura, la reducción de dicha alcalinidad mediante la permutación por H+ de los cationes Ca y Mg de los bicarbonatos en solución que constituye la llamada dureza temporal. La reacción que ocurre es: ªCa � � º Ca �HCO3 �2 � � ZH o ª« º» Z � CO3 H 2 « �� » ¬ Mg ¼ ¬« Mg ¼» Como se observa los iones H+ al combinarse con los bicarbonatos producen ácido carbónico (CO3H2). Para eliminarlo se realiza la 2ª etapa. 73 �2ª etapa: Desgasificación atmosférica Se hace pasar el agua a través de una torre eliminadora de CO2, a contracorriente de aire a baja presión. El CO3H2 se descompone: CO3 o CO2� gas � � H 2 O La regeneración de la resina se realiza con H2SO4 o HCl: ªCa º ªCa º Z « » � SO4 H 2 o ZH � SO4 « » ¬Mg ¼ ¬Mg ¼ La presencia de acidez se neutraliza con NaOH. 3ª etapa: Ablandamiento mediante catión fuerte (Zeolita sódica ZNa2) Como el agua todavía lleva dureza debida al Ca y Mg ligados a los aniones que dan la dureza permanente, principalmente SO4= y Cl-; se realiza el ablandamiento con la zeolita (ZNa) tal y como ya habíamos visto. ªCl � º Ca � � ª SO4 º ªCa º � « » � NaZ o « » Z � Na « » Mg � � ¬«Cl � »¼ ¬ Mg ¼ ¬« SO4 ¼» Después de la regeneración las resinas eliminan el Ca y el Mg y quedan como al inicio. 74 �8.3. Esquemas de desmineralización A. Sistema con resina catiónica fuerte y aniónica fuerte Este sistema consta de una resina catiónica fuerte más una aniónica fuerte. Si el sistema posee un descarbonatador intermedio se considera desmineralización total, si no se usa consideramos desionización porque no se elimina el CO2 y se usan resinas aniónicas fuertes de tipo 2 también, pues no se elimina la SiO2. Este esquema es el más simple de desmineralización. Fig. 9. Sistemas con cationitas y anionitas fuertes. En este caso el intercambio iónico tiene el objetivo de reducir (eliminar) todos los cationes y aniones del agua bruta. Las transformaciones físico- químicas se pueden representar por las reacciones siguientes: 75 �a- Los cambios en el catión fuerte son: ª SO4 º ª SO4 º Ca � � « � » « » ªCa º ClH » Cl » « » �� « �« Mg « � ZH o Z « Mg » � H « � �» HCO3 »» HCO 3 » � « « « » Na ¬ Na ¼ « NO � » « NO � » ¬ 3 ¼ ¬ 3 ¼ b- Los cambios en el anión fuerte son: ª SO4 º ª SO4 º » » « « H � «Cl � » � ZOH o Z «Cl � » � H 2 O « « �» �» «¬ NO3 »¼ «¬ NO3 »¼ Al ser la resina fuertemente básica también intercambia: ªCO3 H�« «¬SiO3 º ª HCO3 � º » � ZOH o Z « » � H 2O «¬ HSiO3 »¼ »¼ Las reacciones de regeneración serán: ªCa � � º ªCa º « » Z «« Mg »» � H 2 SO4 o ZH � « Mg � � » SO4 « Na � » «¬ Na »¼ ¬ ¼ El H2SO4 puede ser sustituido por HCl y en ese caso se obtendrían CaCl2; MgCl2 y NaCl2 ª SO4 º ª SO4 º » « Z ««Cl »» � NaOH o ZOH � Na � «Cl � » « �» «¬ NO3 »¼ «¬ NO3 »¼ 76 �B. Sistema con ambos tipos de resinas Estos sistemas se conocen como lechos mezclados. Dentro de la desmineralización es posible otras alternativas tal como se muestran a continuación. Estas alternativas dependen de la calidad de agua que se desea obtener. Figura 10. Sistemas combinados con descarburación. 77 �Figura 11. Sistemas combinados con descarburación. Figura 12. Sistemas combinados con descarburación. 78 �Figura 13. Sistemas combinados con descarburación. A continuación se exponen las posibles combinaciones: (a) CF - AD - Desg. (b) CD - CF - AD – Des (c) CF - AD - Des – CD (d) CD - CF - AD - Desg. CD (e) CF – AF (f) CF - Desg. – AF (g) CD - CF - Desg. –AF 79 �(h) CD - CF - Desg. AD - AF También e),f),g) o h) con lecho mixto final. CF = Cation Fuerte CD = Cation Débil AF = Anión Fuerte AD = Anión Débil Desg = Desgasificador Electrodiálisis La electrodiálisis separa iones metálicos, cuando el agua rica en iones es sometida a un campo eléctrico por medio de dos electrodos y se aplica una diferencia de potencial continua, los cationes se desplazan hacia el electrodo negativo y los aniones se dirigen hacia el electrodo positivo. Es aconsejable para salinidades inferiores a 3 g/L. Proceso de Ósmosis inversa El principio fisicoquímico de la ósmosis inversa o hiperfiltrado es semejante a la ósmosis natural, por la cual en un sistema natural formado por dos soluciones de diferentes concentraciones, separadas por una membrana porosa, se establece un movimiento de moléculas para establecer el equilibrio debido a diferentes presiones osmótica que presentan, siendo esta menor en la solución de mayor contenido de sales; de ahí que las moléculas de agua atraviesan la membrana para establecer el equilibrio, con lo cual el volumen de la solución salina aumenta, esta se diluye y la diferencia de presión desaparece y se establece el equilibrio. Para realizar la ósmosis inversa se debe elevar la presión en la sección de alta salinidad por encima de la osmótica, con lo cual se logra que las moléculas de agua se difundan hacia la sección de agua limpia y que aumente la concentración de la solución salina. Entre las ventajas que presenta este proceso con respecto a otros, 80 �se encuentra su sencillez, bajo costo de energía e independencia del contenido de sales de la solución inicial. La dificultad principal se presenta con la membrana, la cual debe tener una uniformidad elevada y garantizar una alta velocidad de filtrado. Como consecuencia, se obtienen dos corrientes: a. Una conocida como retenido o rechazo, rica en soluto, que es el producto de alta presión. b. Otra corriente que atraviesa la membrana considerada como producto o permeado, rica en solvente, que es el producto de baja presión y es obtenido generalmente a presión atmosférica y temperatura ambiente. Las membranas de ósmosis inversa rechazan totalmente los iones trivalentes y divalentes (Al 3+, Ca 2+, Mg 2+, SO4 2- ), pero los monovalentes (Cl -, Na +) se fugan a través de la membrana con relativa facilidad y son los que tienden a contaminar el permeado. No obstante, este proceso es capaz del más alto nivel de filtración posible, incluyendo la separación de sales disueltas y la remoción de bacterias, pirógenos y compuestos orgánicos del agua. Por su versatilidad de aplicación, encuentra múltiples usos en los sistemas de tratamiento de agua a) Agua pura para uso en calderas de alta presión; b) Agua de calidad de lavado y de proceso para la industria farmacéutica y cosmética; c) Agua hiperpura para la industria electrónica. Entre sus principales aplicaciones está la desalación de aguas salobres (�10 000 mg/L de TDS) y de agua de mar en agua potable. También se aplica en el tratamiento de aguas residuales industriales y urbanas. 81 �En el tratamiento de agua para uso doméstico e industrial, diferentes procesos han sido utilizados: coagulación-floculación, filtración, intercambio iónico, destilación y separación por membranas. Los procesos de separación por membranas se refieren a aquellas operaciones en las cuales se separan mezclas y soluciones con el uso de membranas semipermeables. Tienen una gran difusión en la industria actualmente por sus múltiples aplicaciones y las ventajas que ofrecen con respecto a otras técnicas de separación como evaporación, centrifugación y destilación. Entre los procesos de separación por membrana se destacan: microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa. En realidad como vemos la presión osmótica de una solución depende de su concentración fundamentalmente y el proceso de ósmosis ocurrirá hasta que se alcance el equilibrio, por lo tanto el proceso inverso necesitará de un incremento de energía (presión) para obtener de una solución concentrada agua pura; analicemos el proceso de la ósmosis inversa desde un punto de vista energético. Si definimos es el potencial químico del agua, μ como la energía libre que posee por cada mol es fácil comprender que el agua pura tiene un potencial químico superior que el que posee una solución salina, ya que esta ha perdido parte de su energía en el proceso de disolución de la sal(recordar energía de solvatación). Si a esto añadimos que el agua tiende siempre a moverse en el sentido de los potenciales decrecientes, esto explica porque al colocar una membrana entre una solución salina y agua pura esta tiende a pasar a través de la membrana, para invertir este proceso se la aplica energía en forma de presión y este proceso es llamado ósmosis inversa. La presión efectiva es la diferencia entre la presión de trabajo y la osmótica. 82 �ΔPefectiva= Ptrabajo −∏¨ Fig.14. Ósmosis y ósmosis inversa. 83 �Conceptos básicos más importantes Membrana: Estructura que tiene dimensiones laterales mucho mayores que su espesor, a través del cual la transferencia de masa puede ocurrir dentro de una variedad de fuerzas directoras. Membrana semipermeable: Cuando bajo condiciones idénticas, el transporte de especies moleculares diferentes ocurre a distintas velocidades. Membrana asimétrica: Membrana constituida por dos o más planos estructurales de morfología no idéntica. Membrana compuesta: Membrana que tiene capas distintas química o estructuralmente. Membrana densa: Membrana con poros no detectables. Membrana homogénea: Membrana con la misma estructura y propiedades de transporte a través de su espesor. Compactación de la membrana: Compresión de la estructura de la membrana debido a la diferencia de presión que atraviesa su espesor. Membrana sintética: Membrana formada por un proceso que no ocurre en la naturaleza. Por ejemplo: las membranas poliméricas. Módulo de membrana: Unidad múltiple que contiene una o varias membranas para separar la corriente de alimentación, re chazo y permeado. Envejecimiento físico de la membrana: Cambio en las propiedades de transporte de la membrana en un período de tiempo, debido a alteraciones en la estructura físico-química. Cut off o Valor de Corte de la membrana: Es el peso molecular mínimo de soluto que puede ser retenido por la membrana. Actualmente se utiliza el término NMWCO (Nominal Molecular Weight Cut Off) que es el peso molecular en el cual el 90 % de todas las moléculas esféricas no cargadas son retenidas. S ): Es el exceso de presión que se debe aplicar a una Presión Osmótica (S disolución para impedir el paso del disolvente hacia ella cuando los líquidos 84 �están separados por una membrana semipermeable. Es proporcional a la actividad del soluto y por tanto a la concentración de sal. Una aproximación para la presión osmótica es asumir que 100 ppm de sólidos totales disueltos (TDS) es igual a 1 psi de presión osmótica. ' P tm ): es la diferencia existente entre la presión Presión transmembrana (' en el conducto de alimentación y la presión en el conducto de filtrado. 'p TM �pf � pr � � pp 2 Donde: Pf, Pr y Pp son las presiones correspondientes al flujo de alimentación, rechazo y permeado respectivamente. Factor de concentración (CF): Indica el grado de aumento de la concentración de un componente en una operación con membrana. Se define como: CF= Cr/Cf Cr: Concentración en el rechazo (salmuera) Cf: Concentración de la alimentación Razón de flujo cruzado: Se refiere a la velocidad de fluido por encima de la membrana. Puede ser expresada en cm/s o en términos de volumen por unidad de tiempo. Recuperación o recobrado (R): Se define como el por ciento del agua de alimentación que se convierte en agua producto. Dependiendo de la calidad del agua de alimentación y las propiedades de la membrana, los sistemas de ósmosis inversa operan a conversiones de 15 a 80 %. La recuperación excesiva da como resultado incrustaciones de sales. % R= Qp/Qf x 100 % 85 �Donde: Qp: caudal del agua producto Qf: Caudal de alimentación Rechazo de sal (RS): Es la propiedad más importante de una membrana, constituye un indicador de la capacidad global de la membrana para rechazar componentes inorgánicos disueltos. Generalmente aumenta con la presión de operación: % RS= (1- Cp/Cf) 100 Donde: Cp: concentración del permeado Cf: concentración del agua de alimentación Se usa en mezclas acuosas diluidas y en nuestro caso es la propiedad más importante de la membrana. Paso de sales: Ocasionalmente el funcionamiento de un sistema de ósmosis inversa está cuantificado por un parámetro llamado paso de sales que está directamente relacionado con el rechazo. % paso de sal = 100 - % RS Rechazo Iónico (RI): % RI = {[Cond (A) - Cond (P)]/ Cond (A)} 100 Donde: Cond(A). Conductividad en la alimentación Cond (P): Conductividad en el permeado 86 �Índice de densidad de sedimento (SDI): Reconocido como índice de ensuciamiento, es una medida de la tendencia del agua de alimentación para ensuciar la membrana. Es calculado por una prueba de flujo usando un fil tro de poros de 0,45Pm. SDI= % P 30 /ti = 100[1-(ti/tf)]/t t Donde: P 30 : atascamiento a presión de alimentación de 30 psi. t t : tiempo de prueba total en minutos (usualmente 15 min. ) pero puede ser menor si ocurre un 75% de atascamiento e n 15 minutos . t i : tiempo inicial en segundos para una muestra de 500mL. t f : tiempo en segundos para recoger una muestra de 500 mL después del tiempo de prueba (t t ). Si la muestra de agua no contiene coloides, no atascará el filtro y ambos, t i y t f , serán idénticos y por lo tanto SDI será cero. 8.3.1. Membranas. Clasificación Las membranas pueden ser clasificadas como: a) Gruesas o delgadas; b) Porosas o densas; c) Homogéneas o heterogéneas; d) Simétricas o asimétricas. Las membranas gruesas tienen un espesor macroscópico (> 1 Pm), en tanto que las delgadas pueden llegar a tener espesores comparables a las dimensiones moleculares (< 1 Pm). 87 �Otra forma de clasificar las membranas es por su morfología o estructura. Esta es la que más nos interesa porque la estructura de la membrana determina el mecanismo de separación y por tanto su aplicación. Las membranas porosas consisten en una matriz sólida con agujeros definidos o poros, representan la forma más simple de membrana en lo que respecta a propiedades de transporte y modo de separación, “que se efectúa estrictamente por tamización de los poros con relación al tamaño de las partículas”. Atendiendo al tamaño de sus poros se clasifican como: a) De poro ancho (diámetro de poro entre 10 nm y 50 Pm) b) De poro fino (diámetro de poro entre 1 y 10 nm). En las membranas densas el permeante debe pasar a través de la materia que constituye la membrana propiamente, por lo que produce una separación a escala molecular entre las especies disueltas y las partículas del disolvente. Estas son las llamadas membranas semipermeables o permiselectivas y son las empleadas en los procesos de desalación por ósmosis inversa. Por su estructura las membranas sintéticas sólidas pueden ser clasificadas en simétricas o asimétricas: a) Simétricas: Son las que tienen las mismas características físico-químicas en cualquier parte de ellas. Pueden ser porosas o no porosas, el espesor está en el rango aproximado desde 10-200 Pm. b) Asimétricas: Consisten en una capa tope muy densa o “piel” con un espesor aproximado de 0,1-0,5 Pm situada sobre una capa gruesa altamente porosa, que actúa exclusivamente como soporte con un espesor aproximado entre 100-300 Pm. Estas membranas combinan la alta selectividad de la membrana densa con alta velocidad de permeado. La resistencia a la transferencia de masa es determinada en gran medida o completamente por la capa tope muy fina. Los procesos de separación por membranas se empezaron a desarrollar a finales del siglo XIX, empleándose básicamente en procesos de concentración y depuración a escala de laboratorio. 88 �Cada uno de estos materiales exige ciertos requisitos sobre el agua de entrada, los cuales deben cumplirse si se aspira a lograr la vida normal de la membrana. Los factores que más los afectan son: a) Temperatura b) pH c) Bacterias d) Cloro libre e) Índice de saturación de Langelier (LSI) para salinidades d 5000 ppm o el de Stiff-Davis (SDSI) para altas salinidades. 8.3.2. Parámetros principales del proceso a) Presión de operación Al aumentar la presión, aumenta la permeabilidad de las membranas. En el caso de las poliméricas, se deforman estrechándose los poros, lo que hace que se eleve la selectividad de las mismas. Este efecto negativo provoca que al alcanzarse la presión límite, la permeabilidad disminuya debido a los fenómenos de compactación de la zona de alta presión. Al disminuir la presión, la membrana no recobra su forma original, quedando una deformación residual de la capa activa de la misma, lo que hace que la curva de permeabilidad quede por debajo y la de selectividad disminuya. b) Temperatura de operación Un aumento de la temperatura favorece el proceso de separación porque disminuye la viscosidad de la solución y aumenta la velocidad a la cual el soluto se difunde desde la superficie hacia el seno de la solución. Se minimiza el efecto de polarización por concentración, pero existe la limitante de la resistencia al calor y las afectaciones que puede sufrir el producto. Este parámetro constituye el más importante para predecir correctamente la presión de operación de diseño de una planta de OI, esto se debe a que dicha presión disminuye un 4 % por cada ºC que aumente la temperatura. Una equivocación de 89 �varios ºC resultará en un error enorme en la selección de la bomba para un proceso y en el diseño general de la planta. c) Velocidad del flujo de alimentación La velocidad depende de la capacidad de la bomba y de la resistencia de los equipos. Al aumentar la velocidad disminuyen los efectos de polarización por concentración y se aumenta, o como consecuencia, la permeabilidad y retención de sales. d) Concentración de la solución Mientras mayor sea la concentración de soluto en la alimentación, mayor será la presión osmótica y la viscosidad de ésta, afectando desfavorablemente la permeabilidad de la membrana. Una aproximación válida de la cantidad de sales disueltas para soluciones de bajo contenido de iones es: e) pH. Este parámetro depende del tipo de membrana. En el caso de las de acetato de celulosa tienen un límite de empleo en un reducido intervalo de pH (4 - 7.5) para evitar su hidrólisis y las de poliamida soportan valores entre 2 y 11. Es sabido que aguas de alimentación con un alto pH son incrustantes y de bajo pH, corrosivas. f) Ensuciamiento y obstrucción de la membrana El ensuciamiento de la membrana ha sido reconocido como la mayor limitación del uso de los procesos de membrana en el campo del tratamiento de agua. Esto puede deberse a diferentes causas. Durante la operación normal, los elementos del sistema de ósmosis inversa están sujetos a suciedades que pueden ser con material en suspensión o sólidos solubles en agua como las sales de carbonato de calcio, sulfato de calcio, óxidos metálicos, arena y material orgánico. El ensuciamiento depende de la naturaleza de las aguas, es un fenómeno progresivo y si no se controla tempranamente hará que disminuya la vida de la membrana. Sus síntomas son una marcada disminución en el rechazo, un aumento moderado de la diferencia de presión e ntre la alimentación y el 90 �concentrado, una rápida disminución de la producción o en un aumento en la presión de operación. Este efecto puede agravarse durante los paros porque muchas de las sales antes mencionadas que se encuentran en la periferia de la m embrana se precipitan sobre la superficie. El ensuciamiento de la membrana puede ser definido como la deposición irreversible (o reversible) de partículas retenidas, coloides, emulsiones, suspensiones, macromoléculas, etc. sobre o dentro de la membrana. Esto incluye adsorción, bloqueo del poro, precipitación y formación de torta. fenómeno de teóricamente. ensuciamiento es muy complejo y difícil de El describir Aún para una solución dada, el ensuciamiento depende de parámetros físicos y químicos tales como concentración, temperatura, pH, fortaleza iónica y las interacciones específicas (enlaces de hidrógeno, interacciones dipolo-dipolo). Dentro de los fenómenos de ensuciamiento de membranas de OI se diferencian, lo que la bibliografía inglesa denomina “fouling” y “scaling” y que en la literatura hispana puede aparecer como ensuciamiento coloidal y ensuciamiento cristalino o incrustación, respectivamente. Por ensuciamiento coloidal (fouling), se entiende la deposición de coloides o partículas en suspensión en la superficie de la membrana. Entre los principales agentes causantes están los óxidos metálicos (principalmente Fe 2+ y Mn 2+), coloides (orgánicos e inorgánicos) y materiales de origen biológico (bacterias, hongos, algas, etc.) Por ensuciamiento cristalino se denota la cristalización sobre la superficie de las membranas de las sustancias disueltas en el agua de alimentación, cuando por efecto de un progresivo aumento de concentración se excede el límite de solubilidad. Los principales causantes de este tipo de ensuciamiento son el carbonato y/o bicarbonato de calcio, los sulfatos de calcio, bario y estroncio, el dióxido de silicio, el fluoruro de calcio y el hidróxido de magnesio. 91 �Una detección temprana del carbonato de calcio es esencial para prevenir daños sobre la capa activa de la membrana. Las que se hayan detectado tempranamente pueden ser eliminadas disminuyendo el pH del agua de alimentación a 3 o 4 por una o dos horas. Las acumulaciones más serias pueden eliminarse mediante recirculación de una solución de ácido cítrico al 2 % y un pH no menor que 2 en las membranas (pH 3-4). Las sales de óxidos de metales son formadas por precipitación de hidróxidos tales como el hidróxido férrico y puede lograrse su desaparición mediante los mismos métodos. El ensuciamiento con arena, materia orgánica o materia coloidal, si se determina oportunamente permite en la mayoría de los casos, restaurar la planta a su condición original. El ensuciamiento normalmente comienza por el extremo de la alimentación y progresa hacia la parte posterior del sistema excepto cuando es por sedimentación de materia coloidal, lo cual suele ocurrir en las últimas membranas pero se distingue de la incrustación porque en lugar de cristales blancos o amarillos, se observa polvillo coloi dal o algas verdes en los últimos elementos. 8.3.3. Otros factores que pueden afectar la efectividad del proceso de ósmosis x Limpieza Si los sistemas son operados adecuadamente no requieren una limpieza frecuente. Un aumento del contenido de sal en el agua producto y/o una caída de la productividad a un 10 % pueden indicar ensuciamiento de las membranas. Sin embargo, otros factores tales como: disminución de la temperatura o mal funcionamiento del pretratamiento, controles de presión o bombeo ineficientes pueden también causar estas condiciones. El tipo de solución de limpieza y la secuencia en que es usada depende del ensuciamiento presente y del tipo de cartucho. 92 �Tabla 7. Agentes de limpieza, sus concentraciones típicas y ensuciadoras removidas Agente Hipoclorito (NaOCl) Concentraciones típicas de Ensuciador presente sodio 100 mg/L como cloro activo, Biopelícula, pH 5 - 10 orgánico material Acido oxálico (C 2 H 2 O 4 ) 1%, pH 2 - 4 Fe, Mn, coloides Acido cítrico (C 6 H 8 O 7 ) 1%, pH 3 - 5 Fe, Mn, coloides Bisulfito (NaHSO 3 ) de sodio 1%, pH 5 - 6 Fe, Mn EDTA/Na-EDTA (NaO 2 CCH 2 ) 2 NCH 2 CH 2 N(NaO 2 CCH 2 ) 2 670 mg/L/2500 mg/L pH 6 Incrustaciones de Mg, Ca, metales Acido clorhídrico (HCl) pH 2 Incrustaciones de Mg, Ca, biopelícula, coloides Hidróxido (NaOH) de sodio pH 12 Cloruro de sodio Materia orgánica, coloides, biopelícula 1% Limpieza general Para la preparación de estas soluciones se utiliza agua producto (permeado) o suavizada, en caso de que la anterior no esté disponible. Se recomienda limpiar lo menos posible debido a que esto provoca interrupciones en la producción y puede acortar la vida útil de las membranas. x Sanitización El ataque bacteriano o químico a las membranas daña irreversiblemente la capa activa disminuyendo el rechazo de sales y permitiendo el paso relativamente libre de sales y agua. Se requiere una periódica sanitización para disminuir los contaminantes microbiológicos y remover la biopelícula. Su frecuencia depende de la calidad del agua de alimentación, de la pureza deseada del agua producto, del tipo de membrana y del modo de operación del sistema. 93 �Uno de los agentes sanitizantes químicos más usados es el cloro, el cual puede ser añadido al agua en forma gaseosa o en soluciones de hipoclorito de sodio frecuentemente utilizado por ser efectivo y económico en membranas de acetato de celulosa y polisulfona, recomendándose a pH entre 5,5 y 6,5 donde su efecto sanitizante es mayor. x Módulos de membranas El agua de alimentación presurizada por la bomba de alta pres ión entra en los módulos de membranas. Una característica fundamental en un módulo de OI es que los canales por los que circula la disolución alimentación – salmuera estén perfectamente sellados con respecto a los canales por los que circula el agua produc to para evitar cortocircuitos hidráulicos. Además de los aspectos analizados anteriormente los módulos deben tener otras características como son: a) Mantener condiciones de flujo ideal sobre la superficie de la membrana aún si la carga varía; b) Mantener las pérdidas fraccionales en un mínimo en el paso de la salmuera y el producto; c) Que los permeadores permitan la toma de muestras. Tipos de instalaciones en la ósmosis inversa Existen dos tipos de arreglo: de simple pase y de doble pase, pudiendo combinarse elementos en serie y paralelo para acomodar los flujos deseados de alimentación y producto y obtener así la máxima recuperación. En la de simple pase, el agua producto ha pasado a través de la membrana una vez y se utiliza para limitar al máximo la pérdida de agua de un sistema. Puede ser: Simple pase con aprovechamiento de rechazo: Consiste en alimentar a un primer grupo de módulos en paralelo y con el rechazo obtenido alimentar a un segundo grupo de módulos, el cual debe ser menor en cantidad que el primero para evitar bajos caudales en los mismos. Se logran altos valores de recobrado, más que los que se logran en las disposiciones paralelo y serie. 94 �Simple pase en paralelo: En esta disposición dos o más módulos son colocados en paralelo de manera que reciban el mismo caudal de alimentación a la misma presión. El permeado que se obtiene de cada módulo se mezcla en una conexión común al igual que el rechazo. El recobrado total del sistema se regula mediante una única válvula situada en el colector general de la salmuera. Esta disposición es útil cuando no se desea incrementar mucho la salinidad del rechazo con respecto a la salinidad de la alimentación. Simple paso en serie: Consiste en alimentar el primer módulo con la bomba de alta presión, el segundo con el rechazo del primero y así sucesivamente. En la medida que el rechazo del primer módulo se convierte en la alimentación del siguiente, la salinidad del agua se va incrementando, por lo que no se debe sobrepasar el valor de máxima salinidad recomendado por el fabricante para no provocar incrustaciones en las membranas. Esta disposición se utiliza cuando la salinidad del agua de alimentación no es elevada. Doble pase de ósmosis inversa: Es el tipo más usado para aguas de alta pureza. En este caso el agua de alimentación de la segunda etapa es el permeado de la primera; el concentrado de esta última se elimina y el de la segunda se recircula, uniéndolo a la alimentación de la primera etapa. Se utiliza cuando la salinidad inicial es muy elevada y una etapa no es suficiente para una buena desalación, o cuando se requiere un producto de mucha calidad. 95 �RECHAZO (Segundo Doble pase PERMEADO RECHAZO (Primer pase) PERMEADO Simple pase con aprovechamiento del rechazo PERMEADO Fig. 15. Configuraciones de la instalación de ósmosis inversa Simple pase en serie Simple pase en paralelo RECHAZO PERMEADO RECHAZO RECHAZO PERMEADO 9 �TEMA 9 SISTEMA DE POST-TRATAMIENTO Los tratamientos del agua producto tienen como objeto completar los procesos de desalación del agua, dejándola lista para su uso. Algunos de los procedimientos más usuales son: a) Eliminación del CO2. Una elevada concentración de CO2 en el permeado de una planta de OI puede ser perjudicial porque: 1. El CO2 incrementa el carácter corrosivo del permeado. 2. Se produce un aumento del consumo de reactivos para adecuar el pH del agua para el consumo humano y para usos industriales. El permeado puede tener un carácter corrosivo sobre todo si se le administró ácido en el pre-tratamiento al agua de alimentación. La formación de CO2 libre que atraviesa fácilmente la membrana, o de H2S, le da al permeado una cierta acidez que se elimina haciéndolo pasar por un desgasificador. b) Ajuste del pH. Si la concentración de CO2 en el permeado es inferior a 60mg/l no es rentable usar un desgasificador atmosférico para subir el pH. En ese caso y cuando se requiere un pH neutro, el pH se corrige añadiendo NaOH y KOH al permeado inyectando una disolución de estos compuestos. c) Ajuste de la dureza Si se desea que el agua contenga un mínimo de dureza, por ejemplo, 75 mg/l de calcio (expresado como CaCO3), se le adicionan sales de calcio al producto, pudiendo inyectarse CaCO3 y carbonato/bicarbonato de sodio. Los carbonatos ayudan a controlara el pH del agua producto. 97 �d) Filtración y esterilización Se utilizan cuando se requiere agua de alta pureza y libre de pirógenos, virus y bacterias. e) Control de color, olor y sabor Si el agua va a ser destinada al consumo humano, el permeado puede contener pequeñísimas cantidades de constituyentes indeseables que alteran sus características organolépticas y que la hacen inadecuada para el consumo humano, en este caso se recomienda la utilización del filtro de carbón activado. Como puede inferirse los elementos fundamentales para poder abordar un proyecto de desalación de agua por ósmosis inversa son: Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Ÿ Información detallada y exacta del agua a tratar; Información sobre las condiciones de operación de la planta; Diseño adecuado del proceso de pre-tratamiento; Diseño de la planta acorde a los fines de cantidad y calidad del agua de interés; Establecimiento de las condiciones para una correcta operación y mantenimiento de la planta. 9.1. Métodos de desinfección La desinfección consiste en la destrucción selectiva de los organismos que causan enfermedades. No todos los organismos se destruyen durante el proceso, punto en el que radica la principal diferencia entre la desinfección y la esterilización, proceso que conduce a la destrucción de la totalidad de los organismos. Los métodos más empleados para llevar a cabo la desinfección son: agentes químicos y agentes físicos. a) Agentes químicos Los agentes químicos utilizados para la desinfección incluyen: el cloro y sus compuestos; el bromo; el yodo; el ozono; el fenol y los compuestos fenólicos; los alcoholes; los metales pesados y compuestos afines; los colorantes; los jabones; los compuestos amoniacales cuaternarios; el agua oxigenada, y ácidos y álcalis diversos. Los desinfectantes más corrientes son los productos químicos oxidantes, de los cuales el cloro es el más universalmente empleado, aunque también se ha utilizado, para la desinfección del agua residual, el bromo y el yodo. El ozono es un desinfectante muy 98 �eficaz cuyo uso va en aumento, a pesar de que no deja una concentración residual que permita valorar su presencia después del tratamiento. El agua muy ácida o muy alcalina también se ha empleado para la destrucción de bacterias patógenas, ya que el agua con pH inferior a 3 o superior a 11 es relativamente tóxica para la mayoría de las bacterias. Los compuestos de cloro más frecuentemente empleados en las plantas de tratamiento del agua residual son el cloro (Cl2), el dióxido de cloro (ClO2), el hipoclorito de calcio [Ca (OCl)2], y el hipoclorito de sodio (NaOCl). Cuando se usan las dos últimas especies químicas, el proceso de cloración recibe el nombre de hipocloración. En los depósitos de gran tamaño como en las torres de enfriamiento, frecuentemente se emplean ciertas dosis combinadas de cloro y de sulfato de cobre para impedir el crecimiento orgánico. El sulfato de cobre actúa en bajas concentraciones sobre los peces. b) Agentes físicos Los desinfectantes físicos que se pueden emplear son la luz y el calor. El agua caliente a la temperatura de ebullición, por ejemplo, destruye las principales bacterias causantes de enfermedades y no formadoras de esporas. El calor se suele emplear con frecuencia en las industrias lácticas y de bebidas, pero su aplicación al agua residual no es factible debido al alto coste que supondría. Sin embargo, la pasteurización del fango es una práctica habitual en toda Europa. La luz solar también es un buen desinfectante, especialmente la radiación ultravioleta. En la esterilización de pequeñas cantidades de agua, el empleo de lámparas especiales ha resultado exitoso. La eficacia de este proceso depende de la penetración de los rayos en el agua. La geometría de contacto entre la fuente emisora de luz ultravioleta y el agua es de gran importancia debido a que la materia en suspensión, las moléculas orgánicas disueltas y la propia agua, además de los microorganismos, absorberán la radiación. Por lo tanto, la aplicación de la radiación ultravioleta como mecanismo de desinfección no resulta sencilla en sistemas acuosos, especialmente por la presencia de materia particulada. Las algas y otras plantas clorofilianas necesitan de la luz del sol para crecer, de aquí que si el agua puede almacenarse en depósitos cerrados que previene el crecimiento de estos organismos. 99 �c) Procesos biológicos unitarios Los procesos de tratamiento en los que la eliminación de los contaminantes se lleva a cabo gracias a la actividad biológica se conocen como proceso biológicos unitarios. La principal aplicación de estos procesos es la eliminación de las sustancias biodegradables presentes en el agua residual en forma, tanto coloidal, como en disolución. Básicamente esta sustancias se convierten en gases, que se liberan a la atmósfera y en tejido celular biológico eliminable en la sedimentación. Como consecuencia del aumento de las cargas contaminantes urbanas e industriales, frente al poder autodepurador de los cauces receptores, un pretratamiento e incluso una depuración primaria o física no son suficientes para poder realizar el vertido sin problemas. Es preciso subir un escalón más, entrando así en el campo de los procesos biológicos. Existen métodos básicos de tratamiento secundario se realiza con mayor o menor suministro de aire (oxigenación). Se puede realizar en tanques, estanques como las algunas de estabilización o combinación de algunos tratamientos. Los procesos biológicos pueden ser aerobios y/ o anaerobios. En tanques los procesos aerobios y anaerobios pueden ser de cultivos en suspensión (lodos activados, digestores anaeróbicos, etc) o de cultivos en fijos (biodiscos, filtros expandidos, etc). En la digestión anaeróbica se emplean cultivos biológicos para conseguir una descomposición aeróbica y oxidación de la materia orgánica, pasando a compuestos más estables. Se obtiene así un mayor rendimiento que el alcanzado por una sedimentación primaria, y por una depuración de tipo químico. En la digestión anaeróbica se produce gases en la oxidación anaerobia tiene cierto valor con combustible y el volumen producido de un compuesto orgánico en particular se puede determinar de la siguiente relación: Materia orgánica + agua dióxido de carbono + metano A temperaturas y presiones normales, un Kg. de DBO oxidado anaeróbica mente rinde cerca de 0,35 m3 de gas metano, cuyo valor calorífico es de 35 kJ/L. 100 �Tratamiento de agua de abasto Los sistemas de tratamiento de agua son instalaciones que agrupan a un conjunto de operaciones, que tienen el objetivo fundamental de regular las concentraciones de las sustancias desde los puntos de vista cualitativo y cuantitativo, que no sean objetables para el uso o su envío a un cuerpo receptor. Estos sistemas comprenden un conjunto de instalaciones que su complejidad depende de la calidad del agua, cantidad de agua a tratar y el destino final del tratamiento. Al agua cruda comúnmente se le elimina las impurezas para uso urbano e industrial. Las instalaciones más aplicadas en nuestro país son las siguientes: x Planta potabilizadora x Instalaciones para fines industriales x Otros fines Planta potabilizadora Las aguas usadas para el abastecimiento público son tomadas de los ríos, las presas, lagos, pozos y en caso extremo del mar. En muchos casos, la elección de una fuente se impone inmediatamente por las circunstancias locales. Las aguas superficiales son comúnmente ricas en sólidos en suspensión pero de bajo contenido de sales carbonatadas y de iones de calcio y magnesio. Las aguas subterráneas en general son aguas muy limpias pero de alto contenido de sales carbonatadas y de alta dureza. Estas aguas son muy incrustantes por la descomposición de los bicarbonatos solubles en carbonato insolubles. Conocido el origen de un agua y sus características físicas, químicas y bacteriológicas se compara esta con las que se requieren para un agua destinada al consumo humano, puede juzgarse sobre la necesidad de su tratamiento. El consumo de agua por persona es muy fluctuante y depende en gran medida del desarrollo del país y de los hábitos de consumo de sus habitantes, puede oscilar entre 80 y 800 Litros/persona cada día. También hay que tener en cuenta que el agua urbana es 101 �utilizada en instituciones comerciales, educacionales, recreativas y en pequeñas industrias enclavadas en la red de distribución urbana. Un agua es potable cuando está libre de sustancias nocivas o que le impartan sabor y/o color además de pura bacteriológicamente y libre de materias en suspensión. Cada país tiene sus propias normas para agua de consumo humano que estarán siempre aprobadas por las autoridades sanitarias del mismo. Una planta convencional de potabilización puede ser como la que se presenta a continuación y consta de los siguientes sistemas operacionales: Agua Pretratamiento Coagulación Sedimentación cruda Agua potable Desinfección Filtrado Fig. 16. Esquema de una planta potabilizadora. 102 �Instalaciones para fines industriales Para fines industriales se utiliza parcialmente o totalmente agua potable. En caso de la necesidad de obtener un agua de menor contenido de impurezas que la del agua potable en la misma fábrica se montan instalaciones con esos propósitos, como instalaciones de suavizamiento y de desmineralización. A continuación se relacionan algunas instalaciones de acondicionamiento de agua utilizada en nuestro país, entre ellas se encuentran: Agua de enfriamiento, Agua para la producción de vapor, Aguas para otros procesos industriales. x Agua de enfriamiento Los sistemas de enfriamiento, dependiendo de su tipo, es necesario hacer en ellos un tratamiento de agua para evitar incrustaciones, corrosión y crecimiento de organismos marinos incrustantes el los mismos. Esta es uno de los mayores usos del agua debido a su alto calor específico, amplia disponibilidad y precio bajo, estando este uso estrechamente vinculado a la energía. Con esta finalidad su utilización puede ser: a) En un solo paso y retorno a la fuente de origen Muy utilizado en aguas salobres y de mar, fundamentalmente donde se requieren grandes volúmenes de agua concentrados en pocos equipos, por ejemplo, los grandes condensadores de las centrales eléctricas y de otras producciones. Generalmente esta agua requiere de tratamientos sencillos: x Filtración gruesa para eliminar cuerpos extraños de gran tamaño; x Sedimentación para eliminar arenas y sedimentos que erosionan los equipos; x Clorinación u otros tratamientos para evitar crecimientos biológicos; x Bombeo y distribución; x Limpiezas periódicas o continuas del equipamiento. 103 �El tratamiento de agua más común es la dosificación de cloro para evitar el crecimiento de los organismos incrustantes, manteniendo un cloro residual de 0.1; esto se puede hacer mediante clorinadores que producen el cloro en el sitio o mediante balones de cloro que son producidos en otro punto de uso. Otro tratamiento común en los sistemas de enfriamiento por agua de mar es la dosificacion de sulfato ferroso al agua una vez al día para evitar la corrosión de los latones de los tubos de condensadores. b) Circuitos cerrados de enfriamiento En ellos se enfría un medio refrigerante, que puede ser agua de alta pureza de forma indirecta con otro medio refrigerante y después ese medio de alta pureza sirve como refrigerante en un sistema o proceso que la requiera, en estos sistemas la reposición es muy poca y el agua es generalmente desmineralizada o sufre otros tratamientos más especializados, las pérdidas de aguas en el sistema son mínimas pero los costos de tratamientos son generalmente altos. En sistema de enfriamiento cerrado, con reposiciones menores que 5 %, se requiere suministrarle al agua compuestos inhibidores de la corrosión por oxígeno como la hidracina y controladores de pH como el hidróxido de sodio. c) Sistemas semiabiertos o de torres de enfriamiento Este sistema consiste en el paso del agua que ha ganado calor en un sistema dado a través de una torre de enfriamiento donde es aspersada por el tope de la misma y puesta en contacto con aire atmosférico. Durante el proceso de intercambio entre el aire/agua se produce intercambio de calor y de masay ocurre la evaporación de agua con lo cual las sales que la acompañan se van concentrando y hacen que las torres requieran extracciones y reposiciones continuas, periódicas o ambas. Según el diseño, estas extracciones permiten mantener el nivel de sólidos disueltos y en suspensión en valores que hacen que el agua no sea incrustante, corrosiva o erosiva producto de los sólidos que la acompañan, por consiguiente se requieren reposiciones de agua que generalmente están entre el 3 y el 5 % del flujo de agua en circulación, así como tratamientos para evitar incrustaciones de sales, corrosión y crecimientos biológicos. 104 �Estos tratamientos estarán en dependencia de: x La calidad de la fuente de suministro; x Los materiales de construcción de los equipos y tuberías; x Factores de diseño; x Posible contaminación de esas aguas por ponches o salideros en los equipos en que es utilizada como medio de refrigeración. En sistema de enfriamiento abiertos, con % de reposiciones mayores que un 5 %, se hace necesaria una combinación de varios sistemas de tratamiento para evitar corrosión, incrustaciones y crecimiento de organismos incrustantes. Para evitar las incrustaciones se hace necesaria la dosificación de compuestos de fosfatos, mezclados con una correcta política de extracciones periódicas al sistema. Para evitar la corrosión es necesario el control adecuado del pH mediante la dosificación de hidróxido de sodio o ácido sulfúrico al sistema, mediante un correcto control del mismo y para los organismos marinos incrustantes se hace necesaria la dosificación de cloro, ozono, u otro compuesto que evite estos organismos. Esta combinación de tratamiento es compleja y requiere un adecuado conocimiento y control del sistema y sus tratamientos. En todos los procesos en que las aguas son utilizadas como agua de enfriamiento se producen generalmente efluentes de los cuales hay que disponer y que vuelven a las fuentes acuíferas, constituyendo contaminación térmica y contaminación química por el uso que se hizo de ellas o por los aditivos que fue necesario añadirle al agua para acondicionarla. Agua para la producción de vapor Después de las aguas de enfriamiento este es el segundo gran consumo de agua en la industria y el de mayor importancia por los tratamientos que requiere y por lo que estos representan desde los siguientes puntos de vista: 105 �x Costos por tratamientos especiales requeridos para evitar incrustaciones y corrosión. x Interrupciones a la producción o los servicios por fallas en el sistema. Las aguas para la producción de vapor requieren tratamientos externos e internos que en primera instancia están determinados por el fabricante del equipo, pero que de forma general están sujetos a recomendaciones generales de acuerdo con el tipo de equipo y a la presión de operación. 1. Requerimientos del agua y el vapor en la generación de vapor En general las aguas presentan una serie de características las cuales dependen de varios factores entre los que están el lugar de procedencia (ríos, lagos, pozos), naturaleza del terreno y su composición geológica. Estas características se dividen en: x Características físicas x Características químicas x Características biológicas Características físicas: a) Turbiedad: Se debe a la presencia de impurezas en suspensión o coloides, las cuales reflejan o absorben la luz. b) Color: Materias en solución. c) Olor y sabor: Materias orgánicas excepto cuando contiene H2S. d) Sólidos en suspensión. e) Total de sólidos disueltos = sólidos disueltos + sólidos en suspensión. f) Aceites. 106 �Características químicas: Incluye el pH y todas las sustancias minerales disueltas en el agua: a) “Dureza” del agua: Es el contenido de calcio y magnesio (Ca + Mg), fundamentalmente en forma de bicarbonatos. - Dureza temporal: Incluye los carbonatos, bicarbonatos e hidróxidos - Dureza permanente: Incluye cloruros y sulfatos En orden relativo de abundancia las sales de Ca y Mg son: 1) Bicarbonatos 2) Sulfatos 3) Cloruros 4) Nitratos b) Alcalinidad: Las aguas normales, sin tratamiento, no contienen carbonatos e hidróxidos. Su pH raramente es superior a 8.3 y generalmente sólo contienen bicarbonatos. c) Sales de ácidos fuertes: Cloruros y sulfatos (SAC) d) Total de ácidos fuertes: (TAF): HCl y H2SO4. Se encuentran en el agua a pH < 4.3 e) Contenido de CO2 f) Contenido de SiO2 (Sílice). Las aguas naturales contienen sílice de 1 a 100 ppm (Forma incrustaciones muy duras en calderas de alta presión y es arrastrada en parte por el vapor depositándose en los alabes de las turbinas). g) Oxígeno. Fundamentalmente en aguas superficiales. El contenido máximo a 20 ºC y patm. Es 9.2 mg/l (límite de saturación). h) Sodio: Son sales muy solubles en agua. i) Hierro: Fundamentalmente hierro ferroso en forma de bicarbonato en agua de pozo. En contacto con el oxígeno de la atmósfera se oxida a hierro férrico que es insoluble y colorea el agua y todo lo que esté en contacto. El hierro rara vez es > 5 ppm, pero a partir de 0.3 ppm origina problemas. j) Manganeso: A partir de 0.2 ppm da lugar a la formación de depósitos. k) pH: Las aguas naturales tienen valores entre 6 y 8. Se aumenta por álcalis y decrece por ácidos. 107 �Características biológicas: a) Materia orgánica: Mezcla compleja de sustancias que no puede determinarse por análisis y se mide mediante índices. - Índice de permanganato MO (Materia Orgánica). Consumo de permanganato de potasio mg/l de O2. - Índice de dicromato. DQO (Demanda Química de Oxígeno). Índice consumo de dicromato potásico expresado en mg/l de O2. b) Grupo coniforme comprende los bacilos aerobios y anaerobios que fermentan la lactosa. Las dos fuentes más importantes de agua fresca son: Las aguas superficiales y las aguas subterráneas. Las aguas superficiales contienen gases atmosféricos, partículas en forma de polvo, humos industriales que han sido atrapados por el agua de lluvia al caer. Igualmente contienen partículas minerales y otras partículas finamente divididas y materias orgánicas en suspensión. Las aguas subterráneas presentan temperaturas constantes y la ausencia de materias sólidas, pero presentan mayor contenido de sales minerales debido al alto contenido de CO2. Hay otras dos fuentes de agua para la industria, que son el agua de mar y el agua de recirculación. El agua de mar se limita prácticamente a enfriamiento por industrias localizadas en las costas (principalmente termoeléctricas). El agua de recirculación es ampliamente usada en los G.V. 2. Tipos de impurezas: encontrados en el agua se pueden clasificar en tres grandes grupos: x Sólidos disueltos x Sólidos en suspensión x Gases disueltos Después de haber estudiado los principales contaminantes que puede tener el agua, veamos cuáles son las impurezas que más afectan a las calderas: 108 �a) Dureza: Causada por sales minerales de Ca y Mg, que son las responsables de las incrustaciones en los tubos (intercambiadores de calor, calderas y tuberías). b) Gases disueltos: Principalmente el oxígeno que es parte esencial del proceso de corrosión y el CO2 que al combinarse con el agua forma ácido carbónico que también causa corrosión (fundamentalmente en tuberías de vapor y condensado). c) Ácidos: Ácidos orgánicos que provienen del suelo y principalmente el ya mencionado ácido carbónico. Todos los ácidos son corrosivos. d) Álcalis: No es frecuente, pero puede ser producido en el propio tratamiento (causa fragilidad cáustica) Incluye: hidróxidos OH-, bicarbonatos HCO3- y carbonatos CO3=. e) Total de sólidos disueltos. Son sales minerales que no forman incrustaciones, pero pueden producir espumas y arrastres. 9.2. Objetivos del tratamiento del agua 1- Evitar corrosiones e incrustaciones 2- Mantener altas transferencias de calor 3- Reducir reparaciones costosas 4- Reducir costos de operación 5- Mejorar la seguridad de la caldera y su rendimiento, así como de los equipos que usan el vapor Los problemas principales derivados del agua que se produce en calderas son: x Corrosiones: Relacionados principalmente con gases disueltos y los ácidos. x Incrustaciones: Están relacionadas con la dureza. x Arrastres: Relacionados con los sólidos disueltos y otros como la materia orgánica (sólidos disueltos y no disueltos) y aceites (forman espumas, lodos e incrustaciones). x Fragilidad cáustica: Relacionada con los álcalis x Alcalinidad: Bicarbonatos (HCO3-), Carbonatos (CO3=) e Hidróxidos (OH-) 109 �Existen tres tipos de tratamientos para controlar estos problemas: tratamientos externos, tratamientos internos y purgas. Los tratamientos externos pueden se pueden subdividir en los procesos siguientes: 1- Aireación: a) Reducción de CO2 b) Reducción de amoníaco y ácido sulfúrico c) Oxidación del hierro y manganeso 2- Cloración: El gas cloro es irritante y puede ser mortal a concentraciones de más de 1000 ppm. Se encuentra formando diversos compuestos como los hipocloritos de Ca y Na, etc. Sus aplicaciones más importantes son: Desinfección, eliminación de NH3 y otros compuestos nitrogenados, control del sabor y del olor, oxidación de H2S, oxidación del hierro y el manganeso, reducción del color, control de algas y hongos, control del Fe y el Mn. En las calderas no tiene gran aplicación. 3- Clarificación: Para eliminar materia suspendida en el agua y conseguir un agua apropiada para usos domésticos y la industria. Generalmente va acompañada por coagulación, floculación y sedimentación. La coagulación: Es el proceso de desestabilización por neutralización de cargas eléctricas. Una vez neutralizadas las partículas no se repelen. Se puede realizar mediante el empleo de: ƒ Sales inorgánicas de aluminio o hierro, que neutralizan las cargas de las partículas coloidales. ƒ Polímeros orgánicos que produzcan el mismo efecto. 110 �La floculación: Es el proceso de originar la unión de las partículas neutralizadas o coaguladas para formar una aglomeración o flóculo. Este proceso puede ocurrir naturalmente o aumentando la velocidad por adición de ayudantes de la coagulación. Existen múltiples coagulantes y ayudantes de la coagulación. Una vez formado el flóculo éste sedimenta. La sedimentación: Consiste en la eliminación de las partículas en suspensión posteriormente a que han sido coaguladas y floculadas. Estos procesos ocurren en equipos llamados clarificadores que se clasifican en 3 tipos: ƒ Horizontales sin contacto de fango ƒ Ascencionales de contacto de sólidos (de contacto de fangos) ƒ Ascencionales de contacto de sólidos y de recirculación de fangos. 4- Filtración: Se emplea para eliminar toda materia suspendida apreciable a simple vista, incluso la materia orgánica más fina. El método más común de filtración consiste en hacer pasar el agua en el sentido descendente a través de un lecho de arena de antracita, cuidadosamente clasificada. La arena puede ser de sílice o de cuarzo. La filtración no elimina sólidos disueltos pero se puede emplear junto con un proceso de ablandamiento o clarificación los cuales reducen la concentración de sólidos disueltos. Los filtros empleados pueden ser: ƒ Abiertos o gravedad ƒ De presión: horizontales y verticales La mayoría del agua clarificada y ablandada se filtra. 5- Ablandamiento por precipitación: Se emplea para reducir dureza, alcalinidad, sílice y otras impurezas como primera etapa de un tratamiento posterior por intercambio iónico y otros. Se consigue con determinados productos como cal, carbonato de sodio, sosa cáustica, aluminato de sodio. La dureza precipita y se separa del agua por sedimentación o filtración. 111 �Con este tratamiento se elimina también la alcalinidad de bicarbonato, se reduce la turbiedad y bajo ciertas condiciones se logra reducir el contenido de O2, CO2 y sílice. Los procesos pueden ser en frío o en caliente y de ello dependen los aparatos empleados. Se realiza en equipos de sedimentación para ablandamiento por precipitación. 6- Desgasificación del agua de alimentación de calderas Se emplea en general para eliminar gases disueltos en el agua y así controlar la corrosión. (O2, CO2, NH3) El CO2 se encuentra frecuentemente en los sistemas de condensado y en los sistemas de distribución de agua. El agua con NH3 ataca al cobre y sus aleaciones. La desgasificación se emplea en particular para eliminar O2 de los sistemas de agua de alimentación de calderas. La solubilidad de un gas en agua viene dada por la ley de Henry: «La concentración de equilibrio de un gas disuelto en un líquido es proporcional a la presión parcial del gas que está en contacto con el líquido». De aquí se desprende que un gas disuelto puede ser eliminado del agua reduciendo la presión parcial del gas. Por ejemplo, aplicando vacío y venteando el gas. La solubilidad del oxígeno en el agua pura varía con la temperatura y la presión. La solubilidad disminuye con el aumento de la temperatura y la disminución de la presión. El oxígeno que llega a la caldera con el agua de alimentación tiende a liberarse y puede oxidar el metal de la caldera produciendo corrosión, aunque la mayor parte pasará al vapor ocasionando problemas de corrosión en el sistema de condensado. Es por tanto necesario proceder a su eliminación. Existen dos métodos fundamentales para la desgasificación: Desgasificación mecánica y desgasificación química, siendo esta último el de mayor aplicación. Desgasificación mecánica: Se lleva a cabo en un equipo llamado desaireador. Al mismo llega agua limpia sin dureza ni alcalinidad y se calienta con vapor para reducir el O2 disuelta a unos 0.005 cc/l. La eliminación de gases disueltos mejora cuando el líquido se agita en contacto íntimo con burbujas de vapor. El funcionamiento correcto de un desaireador comprende: 112 �1-Calentar el agua de alimentación a la temperatura lo más alta posible 2-Agitar fuertemente el agua calentada 3-Mantener lo más baja posible la presión parcial del O2 y el CO2 4-Producir un agua con contenido razonable de O2 En general el tratamiento depende generalmente de la presión de operación del sistema. ƒ Caldera de baja presión Para ella es suficiente alimentarla con agua suavizada (eliminación de las sales de calcio y magnesio), esto puede ser por tratamiento con cal, cal soda o resinas de intercambio iónico ciclo sódico. ƒ Caldera de media presión Requieren agua totalmente libre de iones, generalmente obtenidas por procesos de intercambios iónicos en los cuales se eliminan primero los cationes y después los aniones, este último intercambio elimina la sílice que en estas presiones ya es un requerimiento hasta valores de aproximadamente 0,2 ppm de SiO2 en agua de alimentación. La sílice dentro del domo de la caldera puede pasar al vapor por arrastre de gotas de agua y por volatilización por lo que existe un límite en función de la presión del contenido de SiO2 dentro del domo. ƒ Caldera de muy alta presión Estas calderas requieren para su operación segura y económica de agua totalmente desmineralizada y adicionalmente tratada por los llamados lechos mixtos de resinas para lograr valores de sílice entre 0,1 y 0,05 mg/L como SiO2, pues generalmente el vapor a estas presiones es utilizado como fuerza motriz en turbinas y las vaporizaciones o arrastres de sílice provocan incrustaciones de los alabes de las mismas y una pérdida de eficiencia drástica en ellas. Además en el vapor que va a ser utilizado en turbinas es necesario normar otros contaminantes tales como, hierro, cobre, sodio, potasio y conductividad. ƒ Tratamiento interno Consiste en el acondicionamiento de las impurezas del agua dentro de las calderas, mediante el empleo de sustancias químicas que reaccionan con dichas impurezas. Estas 113 �sustancias se adicionan bien en las tuberías de alimentación, o directamente en las calderas. Pueden emplearse únicamente tratamientos internos, o combinarse con tratamientos externos. Los objetivos específicos de este tratamiento son: x Evitar arrastres x Control de corrosiones x Eliminación de oxígeno disuelto x Control de la dureza del agua Entre los tipos de tratamiento interno tenemos: Fosfato residual: Consiste en adicionar fosfato en cantidades bien definidas. Con ello se logra precipitar el calcio (Ca) en forma de carbonato, sulfato y silicato. El más empleado es el fosfato trisódico. (PO4Na3) La razón de utilizar fosfatos es por su baja solubilidad Se emplea en calderas con presiones hasta 84 kg/cm². Deben controlarse la alcalinidad y la concentración de fosfato en el interior de la caldera. Límites de fosfato en el interior de calderas según la presión: Presión (kg/cm²) 10.5 PO4{ (ppm) 30 – 60 21 42 30 – 40 63 20 – 40 84 15 – 20 10 – 15 Sulfito sódico: Se emplea para eliminar O2. Se usa en calderas con presiones hasta 60 kg/cm². La reacción es la siguiente: 2SO3 Na 2 � O2 o 2SO4 Na 2 Para garantizar la reducción necesaria del O2 y la protección contra el ataque, debe mantenerse en la caldera una concentración de sulfito sódico residual de 10 – 15 ppm y valores del pH superior a 8.3. 114 �Hidracina: Para presiones superiores a 60 kg/cm² se emplea la hidracina ya que el producto de la reacción del sulfito puede ocasionar problemas y el propio sulfito puede descomponerse y dar SO2 y SH2 causando corrosiones en el sistema de retorno de condensados. La hidracina actúa según la siguiente ecuación: N 2 H 4 � O2 o 2H 2 O � N 2 Ventajas de la Hidracina: - No añade sólidos al agua - Forma una capa de magnetita que protege al hierro. Desventajas: - La descomposición de la hidracina produce NH3 y N2. El NH3 combinado con O2 puede atacar al cobre y sus aleaciones. - La hidracina es tóxica. Está prohibido su uso en la industria alimenticia. Debe manipularse con cuidado. - La mayor limitación de su empleo es su baja velocidad de reacción, sobre todo a bajas temperaturas. - Debe mantenerse hidracina residual en el agua de 0.04 – 0.2 ppm. En ocasiones se emplean juntos la hidracina y el sulfito sódico. El sulfito es más económico y de más fácil control. Otros métodos: 9 Tratamiento con quelato: Para corrosión cáustica. Sobre calentamientos localizados. 9 Tratamiento S.C.A. (Scale Control Agent): Combina quelato y fosfato. 9 Transport – Plus: Es el más avanzado: corrosión, limpieza, dureza, sílice, hierro. Es no volátil, pureza del vapor, no perjudica la turbina, pasiva el metal, presiones hasta 109 kg/cm². 115 �9 Control del pH: Se emplea un álcali tal como Na Oh o CO3Na2 para la neutralización del pH. Debe mantenerse un pH de 8.3 – 9 para asegurarse contra el ataque ácido. 9 Purgas de calderas: Este método lo veremos en obtención de vapor puro. Control de pH y la evitación de incrustaciones en el agua de la caldera: Esto se hace por una combinación de la dosificación de compuestos de fosfatos y un correcto régimen de extracción. La dosificación de compuestos de fosfatos tiene como objetivo formar incrustaciones blandas que fácilmente sean expulsados por el régimen de extracciones y a su vez elevar el pH del agua de caldera. El compuesto más usado es el trifosfato de sodio, aunque el calderas de media y alta presión se usan combinaciones de mono, di y tri fosfato de manera de obtener un relación sodio-fosfatos de 2.8. La cantidad de fosfato a dosificar y mantener como residual depende de la presión de la caldera. Un correcto control de las extracciones de la caldera es de vital importancia para un buen tratamiento externo y definitorio para evitar incrustaciones en las mismas. Estas pueden ser periódicas o/y continuas dependiendo de la presión de la caldera, el diseño del domo y el uso que se le va a dar al vapor. El control de las mismas se hace mediante el análisis de la conductividad del agua de caldera que es la que define el régimen de extracciones; el valor de la conductividad máxima admisible está en dependencia de la presión de la caldera. Control del oxígeno en la caldera: Para evitar la corrosión se hace necesaria la eliminación del oxígeno en el generador de vapor. La mayor parte del oxígeno es eliminado por tratamiento mecánicos mediante los desareadores lo cual es suficiente para caldera de baja presión. Para caldera de media y alta presión se hace necesario la dosificación de productos químicos para eliminar el oxígeno residual que no puede eliminar el desareador. En la caldera presión media se utiliza sulfito de sodio para ello, pero alta presión este producto al descomponer produce corrosión y se hace necesaria la dosificación de otros productos más costosos como la hidracina. Control del pH de los vapores: Esto se hace necesario en caldera de media y alta presión y para ello se utiliza la dosificación de hidróxido de amonio de manera de mantener entre 9 y 10 en pH de los vapores en dependencia de su uso y presión. 116 �En sentido general el tratamiento externo está muy vinculado a la presión de la caldera, el uso del vapor y el diseño del fabricante y requiere de un adecuado control mediante análisis periódico de aguas y vapores para que tenga la eficiencia y eficacia requerida. 9.3. Control de las incrustaciones en caldera Los tubos de las calderas por donde circulan agua y vapor no deben tener incrustaciones mayores que 300 g/m2, sino se produce un gasto muy adicional de combustible para producir este vapor. Si en los tubos de las calderas obtienen estos valores, lo cual se controla por análisis periódico en los mantenimientos de los tubos de las calderas, mediante análisis de pérdida de peso al quitarle la incrustación, se hace necesario la realización de lavados químicos a las calderas en los mantenimientos respectivos. Estos lavados químicos llevan los siguientes pasos: 1) La eliminación de las capas incrustantes se realiza mediante agentes químicos. 2) Enjuague adecuado de las calderas a fin de eliminar los restos de ácido presente. 3) La formación de la capa protectora de la caldera. Otros usos Su calidad está en dependencia del proceso industrial al que se incorpore, existen algunas con muy bajo requerimiento de calidad como aquellas para limpieza de materias primas, proceso de cocción, etc. y otras que al entrar a formar parte de procesos requieren calidades específicas. En la producción de amoníaco, por ejemplo, al entrar en contacto con catalizadores muy sensibles el agua tiene que estar totalmente desmineralizada; en la producción de papel y tejidos donde el color es muy perjudicial hay que garantizar que el agua esté libre de hierro y manganeso; en la industria farmacéutica tiene que ser química y bacteriológicamente pura. En la producción de alcohol y algunas bebidas se está utilizando ósmosis inversa para el uso del agua desmineralizada. 117 �TEMA 10 AGUAS RESIDUALES. TRATAMIENTO, USO Y DISPOSICIÓN FINAL Se define agua residual o agua servida como «una combinación de los líquidos y residuos arrastrados por el agua proveniente de casas, edificios comerciales, fábricas e instituciones junto a cualquier agua subterránea, superficial o pluvial que pueda estar presente». Las cuatro fuentes de aguas residuales son: 1. Aguas domésticas o urbanas; 2. Aguas residuales industriales; 3. Aguas de usos agrícolas y 4. Aguas pluviales. Aunque la mayor parte de las aguas servidas (cerca del 90 %) provienen del uso doméstico e industrial, la de usos agrícolas y pluviales urbanas están adquiriendo cada día mayor importancia, debido a que los escurrimientos de fertilizantes (fosfatos) y pesticidas representan los principales causantes del envejecimiento de lagos y pantanos proceso llamado eutrofización. 10.1. Aguas residuales urbanas Procedencia de la contaminación en los núcleos urbanos: x Servicios domésticos y públicos; x Limpieza de locales; x Drenado de Aguas Pluviales. Tipos de contaminantes: x Materia Orgánica (principalmente) en suspensión y disuelta; x N; P; NaCl y otras sales minerales; 118 �x Microcontaminantes procedentes de nuevos productos; x Las aguas residuales de lavado de calles arrastran principalmente materia sólida inorgánica en suspensión, además de otros productos (fenoles, plomo -escape vehículos motor-, insecticidas -jardines). Características físico-químicas La temperatura de las aguas residuales oscila entre 10-20 oC (15 oC) · Además de las cargas contaminantes en Materias en suspensión y Materias Orgánicas, las A.R. contienen otros muchos compuestos como nutrientes (N y P), Cloruros, detergentes... cuyos valores orientativos de la carga por habitante y día son: x Nitrógeno amoniacal: 3-10 gr/hab/d x Nitrógeno total: 6.5-13 gr/hab/d x Fósforo (PO43-) ; 4-8 gr/hab/d x Detergentes : 7-12 gr/hab/d En lugares donde existen trituradoras de residuos sólidos las A.R. (aguas residuales) Urbanas están mucho más cargadas (100 % más) Características biológicas En las aguas residuales van numerosos microorganismos, unos patógenos y otros no. Entre los primeros cabe destacar los virus de la Hepatitis. Por ej. en 1 gr. de heces de un enfermo existen entre 10-106 dosis infecciosas del virus de la hepatitis. El tracto intestinal del hombre contiene numerosas bacterias conocidas como Organismos Coliformes. Cada individuo evacua de 105-4x105 millones de coliformes por día, que aunque no son dañinos, se utilizan como indicadores de contaminación debido a que su presencia indica la posibilidad de que existan gérmenes patógenos de más difícil detección. Las aguas residuales contienen: l06 colif. totales / 100 ml 119 �Aguas residuales industriales Son las que proceden de cualquier taller o negocio en cuyo proceso de producción, transformación o manipulación se utilice el agua, incluyéndose los líquidos residuales, aguas de proceso y aguas de refrigeración. Líquidos residuales: Los que se derivan de la fabricación de productos, siendo principalmente disoluciones de productos químicos tales como lejías negras, los baños de curtido de pieles, las melazas de la producción de azúcar, los alpechines. Se debe intentar la recuperación de subproductos A.R. de Proceso: Se originan en la utilización del agua como medio de transporte, lavado, refrigeración directa y que puede contaminarse con los productos de fabricación o incluso de los líquidos residuales. Generalmente su contaminación es <10 % de la de los líquidos residuales aunque su volumen es 10-50 veces mayor. Aguas de refrigeración indirecta: No han entrado en contacto con los productos y por tanto la única contaminación que arrastran es su temperatura. Ahora bien, hoy día hay que considerar también la existencia de productos que evitan problemas de explotación (estabilizantes contra las incrustaciones y corrosiones, algicidas...) que pueden ser contaminantes. 10.2. Tipos de vertidos industriales Continuos: Provienen de procesos en los que existe una entrada y una salida continua de agua (Procesos de transporte, lavado, refrigeración...) Discontinuos: Proceden de operaciones intermedias. Son los más contaminados (Baños de decapado, baños de curtidos, lejías negras, emulsiones) Al aumentar el tamaño de la industria, algunos vertidos discontinuos pueden convertirse en continuos. Clasificación de las industrias según sus vertidos Industrias con efluentes principalmente orgánicos: x Papeleras x Azucareras 120 �x Mataderos x Curtidos x Conservas (vegetales, carnes, pescado) x Lecherías y subproductos [leche en polvo, mantequilla, queso) x Fermentación (fabricación de alcoholes, levaduras) x Preparación de productos alimenticios ( aceites y otros ) x Bebidas x Lavanderías Industrias con efluentes orgánicos e inorgánicos x Refinerías y Petroquímicas x Coquerías x Textiles x Fabricación de productos químicos, varios Industrias con efluentes principalmente inorgánicos x Limpieza y recubrimiento de metales x Explotaciones mineras y salinas x Fabricación de productos químicos, inorgánicos Industrias con efluentes con materias en suspensión x Lavaderos de mineral y carbón x Corte y pulido de mármol y otros minerales x Laminación en caliente y colada continua Industrias con efluentes de refrigeración x Centrales térmicas x Centrales nucleares 121 �10.3. Contaminación característica de la industria Cada actividad industrial aporta una contaminación determinada por lo que es conveniente conocer el origen del vertido industrial para valorar su carga contaminante e incidencia en el medio receptor. Cuando se conoce el origen del vertido, el número de parámetros que definen la carga contaminante del mismo es reducido. Valoración de la carga contaminante que vierte la industria Para superar la dificultad que supone generalizar esta valoración (pues no existen 2 industrias iguales), al menos cuando se trata de estimar la carga contaminante contenida en las A.R. con vistas al dimensionamiento de su planta depuradora, se ha recurrido al concepto de “POBLACIÓN EQUIVALENTE”. Este valor se deduce dividiendo los Kgr. de DBO (demanda biológica de oxígeno) contenidos en el A.R., correspondiente a la producción de una unidad determinada, por la DBO que aporta un habitante por día, valor para el que en Europa se considera un valor medio de 60 gr. Ahora bien, dado que el término “Población Equivalente” sólo se refiere a una contaminación de carácter orgánico, a la hora de dimensionar la planta depuradora seria necesario, al menos, tener en cuenta además de la DBO, los Sólidos en Suspensión (SS). En Francia se basaron en los parámetros de DQO, DBO y SS para el cálculo del canon de vertido. En Francia y Cataluña existen tablas que establecen el canon de vertido industrial en función de la producción de la actividad o el número de operarios. Estos valores los aplican las Agencias Financieras de Cuenca. Posterior se han introducido además Sólidos Disueltos (medidos por la conductividad en mho/cm); N y P. Características medias típicas de las aguas residuales de algunas industrias No obstante las dificultades apuntadas para establecer unos valores para las características de las A.R., a continuación señalamos como orientación los valores más frecuentes para algunas industrias. 122 �Contaminaciones características de la industria a- industria papelera x Color x Materia en suspensión y decantable x DBO5 u otra que nos defina la materia orgánica x En algunos casos ( muy pocos ) el pH b-industria lechera x DBO5 u otra determinación que nos defina la materia orgánica c-industria del curtido x Alcalinidad x Materia en suspensión y decantable x DBO5 u otra que nos defina la materia orgánica x Sulfuros x Cromo d-refinerías x Aceites x DBO5 u otra que nos defina la materia orgánica x Fenoles x Amoníaco x Sulfuros e-industrias de acabado de metales x pH x Cianuros 123 �x Metales, según el proceso de acabado f-lavaderos de mineral a) Si son de hierro: x Sólidos sedimentables x Sólidos en suspensión después de decantación b) Si son de otros materiales habrá que detectarlos así como a los productos tóxicos orgánicos que pueden emplearse como agentes humectantes o flotantes. g-siderurgias integral x Fenoles x Alquitranes x Cianuros libres y complejos x DBO5 x Sulfuros x Materias en suspensión x pH x Hierro x Aceites y grasas h-laminación en caliente x Aceites y grasas x Sólidos en suspensión i-plantas de ácido sulfúrico x Ácidos x Sólidos sedimentables x Arsénico, selenio y mercurio 124 �10.4. Contaminantes específicos Son microcontaminantes derivados principalmente de los adelantos de las tecnologías industriales y que a muy escasa concentración (ppm) tienen un efecto perjudicial. Son por ej: Agentes tensoactivos, Pesticidas, Derivados halogenados o fosforados de hidrocarburos, Compuestos orgánicos específicos, Sales metálicas, Compuestos eutrofizantes... Valoración y clasificación de los contaminantes específicos La evaluación de los riesgos potenciales ocasionados por los Contaminantes Específicos requiere conocer aspectos tales como los que aparecen a continuación: x Tipo y estructura del compuesto químico; x Propiedades físicas y químicas fundamentales, biodegradabilidad; x Producción total; x Orígenes y vías de distribución, funciones para las que se utiliza y lugares de aplicación; x Condiciones prácticas en las que se realizan a los cauces, los vertidos que contienen esos contaminantes químicas, microbiológicas, radiológicas y toxicológicas en general, así como evaluación periódica de su estado de calidad; x Cumplimiento de las normativas legales impuestas por las autoridades en materias de aguas, que imponen unos determinados y secuenciales controles analíticos. En el campo del agua potable de consumo público, los dos puntos anteriores se explicitan y concretan teniendo en cuenta el suministrador de agua potable (pública de red o bien envasada) que ha de asegurarse con un límite razonable de confianza de que el producto servido “siempre” es potable, es decir, puede ser ingerido sin peligro de provocar ningún tipo de intoxicaciones (microbiológicas y/o fisico-químicas) en el potencial consumidor. 125 �Esto podría venir marcado por la “ética” y la “honestidad” de cada suministrador: x Cantidades que se vierten según condiciones de utilización; x Efectos tóxicos u otros efectos nefastos de los contaminantes sobre la calidad de las aguas y su ecología (persistencia, bioacumulación); x Medios técnicos existentes de lucha contra la contaminación. Clasificación de los contaminantes del agua Los contaminantes del agua se clasifican en tres categorías: 1. Contaminantes químicos: estos componen tanto productos químicos orgánicos como inorgánicos. El aspecto fundamental de la contaminación de productos orgánicos es la disminución del oxígeno como resultante de la utilización del existente en le proceso de degradación biológica, llevando con ello a un desajuste y a serias perturbaciones en el medio ambiente. En el caso de compuestos inorgánicos el resultado más importante es su posible efecto tóxico, más que una disminución de oxígeno. Sin embargo, hay casos en los cuales los compuestos inorgánicos presentan una demanda de oxígeno, contribuyendo a la disminución del mismo. 2. Contaminantes físicos, estos incluyen: Cambios térmicos, la temperatura es un parámetro muy importante por su efecto en la vida acuática, en las reacciones químicas, velocidades de reacción y en la aplicabilidad del agua a usos útiles, como el caso de las aguas provenientes de las plantas industriales, relativamente calientes después de ser usadas en intercambiadores. ƒ El color el cual determina cualitativamente el tiempo de las aguas residuales, es por ello que si el agua es reciente esta suele ser gris; sin embargo, como quiera los compuestos orgánicos son descompuestos por las bacterias, el oxígeno disuelto en el agua residual se reduce a cero y el color cambia a negro. ƒ ƒ La turbidez originada por los sólidos en suspensión. Espumas, detergentes y la radioactividad. 126 �3. Contaminantes biológicos, estos son los responsables de las transmisiones de las enfermedades como el cólera y la tifoidea. Los contaminantes de las aguas residuales son normalmente una mezcla compleja de compuestos orgánicos e inorgánicos. Normalmente no es ni práctico ni posible obtener un análisis completo de la mayoría de las aguas servidas. Es por esto que las aguas residuales dependiendo de la cantidad de estos componentes se clasifican en fuertes, medias y débiles. Debido a que la concentración como la composición va variando con el transcurso de tiempo, con los datos siguientes solo se pretende dar una orientación para la clasificación de las aguas servidas. Tabla 8. Concentración (mg/l) Constituyente Fuerte Media Débil Sólidos, en total 1200 700 350 Disueltos, en total 850 500 250 Suspendidos, en total 350 250 100 Demanda Bioquímica de Oxígeno 300 200 100 Nitrógeno 85 40 20 Amoniaco Libre 50 25 12 Fósforo 20 10 6 Alcalinidad 200 100 50 Grasa 150 100 50 10.5. Otras formas de medir la calidad de las Aguas Análisis del pH La concentración del ion hidrógeno es un importante parámetro de calidad tanto para aguas naturales como aguas residuales. El intervalo de concentración para la existencia de la mayoría de la vida biológica es muy estrecho y crítico. El agua industrial con una concentración adversa de ion de hidrógeno es difícil de tratar con métodos biológicos y si la concentración no se altera antes de la evacuación, el efluente puede alterar la concentración de las aguas naturales. 127 �El pH de los sistemas acuosos puede medirse convencionalmente con un pH-metro, así como se pueden utilizar indicadores que cambian de colora determinados valores de pH. pH=-log[H+] La alcalinidad en el agua residual se debe a la presencia de hidroxilo, carbonatos y bicarbonatos de elementos tales como calcio, magnesio, sodio, potasio o amoniaco, esta alcalinidad la va adquiriendo del agua de suministro, del agua subterránea y de materias añadidas durante el uso doméstico. Ensayos biológicos Otra forma de medir la toxicidad de las aguas residuales en lo que respecta a la vida biológica son los ensayos biológicos. La finalidad de estos específicamente es: ƒ Determinar la concentración de un agua residual en la que se produzca la muerte de un 50 % de los organismos de ensayo en un periodo de tiempo específico. ƒ Determinar la concentración máxima que no causa efecto aparente sobre los organismos de ensayo durante 96 horas. Se consiguen estos objetivos introduciendo peces u otros animales adecuados en un acuario que contiene distintas concentraciones del agua residual en cuestión y se observa seguidamente su supervivencia a lo largo del tiempo. Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) La demanda bioquímica de oxígeno se usa como una medida de la cantidad de oxigeno requerido para la oxidación de la materia orgánica biodegradable presente en la muestra de agua y como resultado de la acción de oxidación bioquímica aeróbica, es por esto que este parámetro de polución sea tan utilizado en el tratamiento de las aguas residuales, ya que con los datos arrojados se pueden utilizar para dimensionar las instalaciones de tratamiento, medir el rendimiento de algunos de estos procesos. Con los datos de la DBO podrá así mismo calcularse la velocidad a la que se requerirá el oxígeno. La demanda de oxígeno de aguas residuales es resultado de tres tipos de materiales: x Materiales Orgánicos Carbónicos, utilizados como fuentes de alimentación por organismos aeróbicos. 128 �x Nitrógeno Oxidable, derivado de la presencia de nitritos, amoniaco y en general compuestos orgánicos nitrogenados que sirven de alimento para bacterias especificas. x Compuestos químicos reductores Método de Tratamiento: " Lodos Activados” De acuerdo con el grado de tratamiento necesario de la depuración de las aguas residuales, se pueden clasificar en tratamientos previos, primarios, secundarios y terciarios. 10.6. Tratamientos previos Antes de su tratamiento, fundamentalmente las aguas residuales pueden someterse, a un pretratamiento que comprende un cierto número de operaciones físico-mecánicas. Tiene por objeto separar del agua la mayor cantidad posible de las materias que por su 129 �naturaleza o tamaño crearían problemas de funcionamiento o provocar desperfectos en la obra civil. El conjunto de operaciones tendientes a eliminar estos componentes se llama pretratamiento o tratamientos previos. Las operaciones de pretratamiento son las siguientes: Desbaste, flotación, desarenado y otros. Las operaciones de pretratamiento incluidas en una E.D.A.R. dependen de: x La procedencia del agua residual (doméstica, industrial, etc). x La calidad del agua bruta a tratar (mayor o menor cantidad de grasas, arenas sólidos,...) x Del tipo de tratamiento posterior de la E.D.A.R. x De la importancia de la instalación Las operaciones son: x Separación de grandes sólidos (Pozo de Gruesos) x Desbaste x Tamizado x Dilaceración x Desarenado x Desaceitado-desengrasado x Preaireación En una planta depuradora no es necesaria la instalación de todas estas operaciones. Dependerá de las características antes descritas. Por ejemplo, para un agua residual industrial raramente será necesario un desbaste. Separación de grandes sólidos (pozo de gruesos) Cuando se prevé la existencia de sólidos de gran tamaño o de una gran cantidad de arenas en el agua bruta, se debe incluir en cabecera de instalación un sistema de separación de estos grandes sólidos, este consiste en un pozo situado a la entrada del colector de la depuradora, de tronco piramidal invertido y paredes muy inclinadas, con el fin de concentrar los sólidos y las arenas decantadas en una zona específica donde se puedan extraer de una forma eficaz. A este pozo se le llama Pozo de Muy Gruesos, dicho pozo tiene una reja instalada, llamada Reja de Muy Gruesos, que no es más que una serie de vigas de acero colocadas 130 �en vertical en la boca de entrada a la planta, que impiden la entrada de troncos o materiales demasiado grandes que romperían o atorarían la entrada de caudal en la planta. La extracción de los residuos se realiza, generalmente, con cucharas anfibias o bivalvas de accionamiento electrohidráulico. Los residuos separados con esta operación se almacenan en contenedores para posteriormente transportarlos a un vertedero o llevarlos a incineración. En este sistema nuestra tarea consistirá en la retirada de estos grandes sólidos, para evitar que estos dificulten la llegada del agua residual al resto de la planta, y la de limpiar el fondo del pozo para que no se produzca anaerobiosis y consecuentemente malos olores. También debemos de vaciar el contenedor de forma regular, si esto no es posible, utilizar un contenedor tapado. Cuando nos acerquemos al pozo debemos tener cuidado de que el suelo no tenga manchas de grasa, las cuales nos harían resbalar y caer dentro del pozo. Si aparecen manchas de grasa debemos limpiarlas con agua y un cepillo. Nunca hay que apoyarse contra la baranda ni subirse a ella, suele estar muy resbaladiza. Como se puede observar en la imagen del contenedor el suelo donde este está, tiene una serie de "raíles" esto no son más que vigas de acero que sobresalen 1 o 2 cm del suelo con objeto de evitar que al dejar o recoger el contenedor este se deteriore. Estas vigas es recomendable situarlas también en el fondo del Pozo de Muy Gruesos puesto que la cuchara puede deteriorar el suelo del pozo. En ocasiones es interesante que se hagan unas perforaciones en la base y los laterales del contenedor, de forma que pueda salir el agua que arrantran los muy gruesos extraídos por la cuchara, si no al trasladar la carga este agua, que no daja de ser agua residual, caerá del contenedor y es posible que el transportista se niege a llevarse el contenedor con ese agua. Esto nos crea otro problema que es mantener limpio el suelo donde tenemos el contenedor que se llena de charcos de agua residual, desde ahora agua bruta, por lo que con frecuencia debemos limpiar dicha zona, bastará con aplicar una manguera de agua limpia o de agua tratada, esta agua debe volver mediante la canalización correcta a la entrada de la planta. 131 �Figura 16. Croquis de instalación de tratamiento previo. Pozo y reja muy gruesa Pozo y cuchara bivalva cerrada Cuchara bivalva y contenedor Desbaste Los objetivos en este paso son: x Proteger a la E.D.A.R. de la posible llegada intempestiva de grandes objetos capaces de provocar obstrucciones en las distintas unidades de la instalación. x Separar y evacuar fácilmente las materias voluminosas arrastradas por el agua, que podrían disminuir la eficacia de los tratamientos posteriores. Esta operación consiste en hacer pasar el agua residual a través de una reja. De esta forma, el desbaste se clasifica según la separación entre los barrotes de la reja en: 132 �x Desbaste fino: con separación libre entre barrotes de 10-25 mm. x Desbaste grueso: con separación libre entre barrotes de 50-100 mm. En cuanto a los barrotes, estos han de tener unos espesores mínimos según sea: x Reja de gruesos: entre 12-25 mm. x Reja de finos: entre 6-12 mm. También tenemos que distinguir entre los tipos de limpieza de rejas igual para finos que para gruesos: x Rejas de limpieza manual x Rejas de limpieza automática Rejas de limpieza manual Se utilizan en pequeñas o en grandes instalaciones donde ayudan a proteger bombas y tornillos en caso de que sea necesario utilizarlos para elevar el agua hasta la estación depuradora antes del desbaste. También se utilizan junto a las de limpieza automática, cuando estas últimas están fuera de servicio. Las rejas están constituidas por barrotes rectos soldados a unas barras de separación situadas en la cara posterior y su longitud no debe exceder a aquella que permita rastrillarla fácilmente con la mano. Van inclinados sobre la horizontal con ángulos entre 60-80º. Encima de la reja se coloca una placa perforada por la que caerán los residuos rastrillados a un contenedor donde se almacenarán temporalmente hasta que se lleven a vertedero. Con el objeto de proporcionar suficiente superficie de reja para la acumulación de basuras entre limpieza y limpieza, es necesario que la velocidad de aproximación del agua a la reja sea de unos 0,45 m/s a caudal medio. El área adicional necesaria para limitar la velocidad se puede obtener ensanchando el canal de la reja y colocando esta con una inclinación más suave. Conforme se acumulan basuras, obturando parcialmente la reja, aumenta la pérdida de carga, sumergiendo nuevas zonas a través de las cuales pasará el agua. 133 �Las tareas a realizar en las rejas de limpieza manual son: x Vigilar que no se acumulen muchos sólidos en la reja, para lo cual debemos de limpiarla con cierta periodicidad, este período varía de una planta a otra siendo la experiencia del encargado el que determine este periodo. Las razones de tener que limpiar las rejas con cierta frecuencia es para evitar que se pudran los sólidos orgánicos allí retenidos, dando lugar a malos olores. x Vaciar la cuba de los sólidos con cierta regularidad, por los mismos motivos antes expuestos. x Reparar y sustituir los barrotes que se hayan roto. Esta zona también es de piso muy resbaladizo, se debe andar con precaución para evitar caer en canal de desbaste o darse un golpe contra el piso. Por tanto, debemos de limpiar esta zona cuando empecemos a notar que el suelo se hace resbaladizo, usar zapatos con suela adecuada o poner en el suelo algún sistema antideslizante (mallazo de ferralla). Problemas derivados: Como la limpieza se hace periódicamente, llegamos a un grado de colmatación de materia, que al ser eliminada puede provocar un aumento brusco de la velocidad de paso del agua a través de la reja, lo cual conlleva una menor retención de residuos y una disminución en el rendimiento. También existe el riesgo de estancamientos, o por descuidos, o por la llegada brusca de materias vegetales, pudiéndose dar también un desbordamiento. Con el objeto de evitar esto es necesario calcular ampliamente la superficie y la inclinación de la reja. Actualmente, se tiende a instalar rejas de limpieza mecánica aún en pequeñas instalaciones para reducir al mínimo el trabajo manual y los problemas derivados de un mantenimiento defectuoso. Rejas de limpieza mecánica Este tipo de rejas es fabricado por varias empresas especializadas y será el ingeniero que realiza el proyecto el que determine qué tipo de equipo va a instalar, las dimensiones del canal de la reja, el intervalo de variación en la profundidad del flujo en el canal, la separación entre barrotes y el método de control de la reja. La principal ventaja de este tipo de reja, es que elimina los problemas de atascos y reducen el tiempo necesario para su mantenimiento. Una reja mecánica va normalmente protegida por una pre-reja de barrotes más espaciados (50-100 mm), prevista 134 �generalmente, para limpieza manual, pero que deberá ser también automática en el caso de instalaciones importantes, o si el agua bruta llega muy cargada de materias gruesas. De los distintos tipos de mecanismos, el más utilizado consiste en un peine móvil, que periódicamente barre la reja, extrayendo los sólidos retenidos para su evacuación. Las rejas pueden ser curvas o rectas y a su vez la limpieza puede ser por la cara anterior o por la cara posterior, teniendo cada tipo de limpieza sus ventajas e inconvenientes: x Las de limpieza anterior pueden sufrir posibles atascamientos cuando se depositan grandes sólidos, o gran cantidad de sólidos, al pie de la reja, provocando el bloqueo del mecanismo hasta que se elimine la obstrucción. x Las de limpieza posterior no tienen este problema de obstrucción ya que las púas del peine, al desplazarse por detrás no están sujetas a bloquearse por formación de depósitos de materia al pie de la reja. Sin embargo, hay un mayor riesgo de rotura de los dientes ya que han de tener mayor longitud y también existe el problema de que los sólidos que queden retenidos en el rastrillo pueden ser retornados al agua bruta, ya que la limpieza del rastrillo en este sistema se sitúa abajo de la reja. En cuanto a su diseño, curvo o recto: 1. Las rejas curvas son solamente de limpieza frontal y dicho sistema consiste en uno o dos peines situados al extremo de un brazo que gira alrededor de un eje horizontal. Están indicadas para instalaciones de importancia media con aguas poco cargadas. Su instalación se realizará en canales poco profundos, entre 0,4-2 m. La altura del agua ocupa normalmente el 75 % de la longitud del radio. La eliminación de los residuos se realiza un poco por encima de la lámina de agua. 2. Las rejas rectas pueden ser de limpieza frontal y de limpieza posterior, con numerosas variantes en su diseño en función del sistema de limpieza que se emplee (de cable con rastrillo, de cables con garfio, de cadenas de cremallera, de tornillos...). Se emplean en instalaciones de gran importancia y para grandes profundidades. Existen rejas que pueden funcionar en canales de hasta 10 m. de profundidad. 135 �Automatización y protección de las rejas mecánicas El funcionamiento, generalmente discontinuo del dispositivo de limpieza de la reja, puede automatizarse mediante: x Temporización: Se establece la secuencia de funcionamiento del rastrillo mediante un reloj eléctrico de cadencia-duración regulable, en función del tiempo de funcionamiento diario calculado. x Pérdida de carga: El dispositivo de limpieza se pone en marcha automáticamente cuando la pérdida de carga entre la zona anterior y la zona posterior de la reja, debido a su colmatación parcial, sobrepasa un valor establecido. x Sistema combinado de temporización y pérdida de carga. Las rejas deben ir equipadas con un dispositivo limitador de par, para que en caso de sobrecarga o de bloqueo se pongan fuera de servicio, evitando el deterioro de las mismas. Además, deberán instalarse dos o más rejas para que pueda quedar fuera de servicio una de ellas por bloqueo o por cuestiones de mantenimiento, sin tener que parar el desbaste. En caso de que solo hubiera una unidad instalada, será necesario establecer un canal de bypass con una reja de limpieza manual para ser usada en casos de emergencia. Dicho canal estará normalmente fuera de servicio impidiendo el flujo de agua a su través por medio de tablones de cierre o por una compuerta cerrada. Consideraciones hidráulicas La velocidad de paso a través de la reja debe ser el adecuada para que los Sólidos en Suspensión se apliquen sobre la misma sin que se produzca una pérdida de carga demasiado fuerte, ni un atascamiento en la parte profunda de los barrotes. Como valores medios se estima que la velocidad de paso debe estar entre 0,6-1,0 m/s. a caudal máximo. La velocidad de aproximación a la reja en el canal debe ser mayor de 0,4 m/s, a caudal mínimo, con objeto de evitar depósitos de arena en la base de la unidad. A caudales máximos (lluvias y tormentas) la velocidad de aproximación debe aumentarse a 0,9 m/s. Para evitar que se depositen las arenas dejando bloqueada la reja cuando más necesaria es. 136 �A la hora de calcular cuál será la velocidad del agua a través de la reja, se supone que un 25-30 % del espacio libre entre los barrotes está ocupado por los residuos retenidos. Se crean pérdidas de carga que varían entre 0.1-0.2 m para las rejas gruesas y entre 0,2-0,4 m para las rejas finas. Volumen y evacuación de residuos retenidos Los volúmenes obtenidos varían según la estación y según el tipo de agua residual, siendo bastante difícil de calcular si no se tienen datos reales. De todas formas, se toman como valores normales, según el tipo de reja: x Reja fina: 6-12 l/d/1000 hab. x Reja gruesa: 15-27 l/d/1000 hab. En el caso de redes unitarias (engloba la misma depuradora las aguas domésticas y las de lluvia y riego), el volumen de residuos es muy variable debido a las tormentas y las lluvias. El volumen también varía según la longitud de los colectores y redes de alcantarillado, o si existen vertidos industriales intermitentes o estacionales. Los residuos retenidos se evacuan haciéndolos pasar de la reja a unas cintas transportadoras cuyo sistema de arranque y parada estará sincronizado con el de la reja. De la cinta caen a contenedores donde se depositan hasta su traslado a vertederos o a incineración. Pero en vez de recoger en una cinta transportadora, también podemos hacer caer los residuos a una arqueta de toma de un Tornillo de Arquímedes, dispositivo que permite una evacuación lateral y almacenamiento de residuos en un receptor de mayor capacidad. En plantas importantes se utilizan prensas hidráulicas especiales para detritus, previo a su depósito en contenedores. Con ello conseguimos reducir el volumen de residuos y además, disminuir los olores producidos por la materia orgánica en descomposición. En caso de incineración, la temperatura debe ser mayor de 800 ºC para evitar que se produzcan malos olores. Las tareas a realizar son: 1. Debemos observar que el mecanismo funciona correctamente. 2. Regular la temperatura dependiendo del volumen de sólidos que esté llegando a la planta. 137 �3. Mantener limpia la zona de los sólidos que hayan podido caer de la cinta transportadora o de la prensa hidráulica. x Realizar las tareas de mantenimiento del mecanismo del peine de limpieza, cinta transportadora y prensa hidráulica según las indicaciones de los fabricantes. Siempre que nos acerquemos a los sistemas de desbaste debemos desconectarlos, las máquinas de movimiento lento son especialmente peligrosas, pueden cortar un miembro con toda facilidad. Tamizado Consiste en una filtración sobre soporte delgado y sus objetivos son los mismos que se pretenden con el desbaste, es decir, la eliminación de materia que por su tamaño pueda interferir en los tratamientos posteriores. Según las dimensiones de los orificios de paso del tamiz, se distingue entre: x Macrotamizado: Se hace sobre chapa perforada o enrejado metálico con paso superior a 0,2 mm. Se utilizan para retener materias en suspensión, flotantes o semiflotantes, residuos vegetales o animales y ramas de tamaño entre 0,2 y varios milímetros. x Microtamizado: Hecho sobre tela metálica o plástica de malla inferior a 100 micras. Se usa para eliminar materias en suspensión muy pequeñas contenidas en el agua de abastecimiento (Plancton) o en aguas residuales pretratadas. Los tamices se incluirán en el pretratamiento de una estación depuradora en casos especiales: ™ Cuando las aguas residuales brutas llevan cantidades excepcionales de sólidos en suspensión, flotantes o residuos; ™ Cuando existen vertidos industriales importantes provenientes principalmente del sector alimentario (residuos vegetales, de matadero, semillas, cáscaras de huevo). Los tamices suelen ir precedidos por un desbaste de paso entre barrotes de 10-50 mm. Según el paso de malla del tamiz vamos a desarrollar ahora los tipos de tamices: x Macrotamices rotatorios: Se utilizan con aguas residuales poco cargadas. Consiste en un tambor cilíndrico de eje horizontal, en caso de que el nivel del agua varíe 138 �relativamente poco, o como una banda rotatoria sobre cadenas sin fin, cuando los niveles del agua sufren grandes variaciones. El tamiz va a estar parcialmente sumergido. El agua entra por el interior del tambor y sale al exterior quedando retenidos en las paredes internas del tamiz los residuos a eliminar. El tambor va rotando. En la parte superior del tambor los residuos van siendo eliminados mediante unos chorros de agua que los hacen salir al exterior. El paso de malla está entre 0,3 y 3,0 mm. La pérdida de carga es pequeña entre 0,2-0,5 m. x Tamices de autolimpieza, estáticos o rotativos: Los tamices estáticos llevan una reja constituida por barrotes horizontales de acero inoxidable, de sección triangular. La inclinación sobre la horizontal disminuye progresivamente de arriba a abajo, pasando de unos 65º a unos 45º. El agua entra por arriba y pasa a través de los barrotes, mientras, la materia retenida va resbalando por el tamiz y saliendo al exterior donde se almacena en contenedores provisionalmente. Así obtenemos sucesivamente la separación, escurrido y evacuación de las materias sólidas. Los tamices rotatorios están constituidos por una reja cilíndrica de eje horizontal con barrotes de sección trapezoidal, la cual gira lentamente. El agua cae por arriba entrando en el interior del tamiz, en tanto que la suciedad queda retenida en el exterior y son evacuadas a un contenedor provisional por medio de un rascador fijo. El paso de malla es de 0,2-2,0 mm. Las pérdidas de carga son elevadas, del orden de 2 m., lo que obliga la mayoría de las veces a un bombeo suplementario. Tienen el problema añadido de ser sensibles al atascamiento por grasas coaguladas. Tamices deslizantes: Son de tipo vertical y continuo. El tamiz lleva a lo largo de él una serie de bandejas horizontales solidarias a la malla. En estas bandejas quedan retenidos los sólidos siendo eliminados en la parte superior por un chorro de agua a contracorriente. El paso de malla es de 0,2- 3,0 mm. Las tareas que debemos realizar en este punto son: x Limpiar los tamices de las posibles obturaciones que se hayan podido formar. x En las de tipo mecánico debemos realizar las tareas de mantenimiento recomendadas por el fabricante. 139 �Dilaceración Su objetivo es triturar las materias sólidas arrastradas por el agua. Esta operación no está destinada a mejorar la calidad del agua bruta ya que las materias trituradas no son separadas, sino que se reincorporan al circuito y pasan a los demás tratamientos, por lo que este paso no se suele utilizar, a no ser que no haya desbaste, con lo que sí es necesario incluirlo en el diseño y funcionamiento de la planta. Pero, a veces, aunque haya un desbaste previo, se suelen utilizar dilaceradores para tratar los detritus retenidos en las rejas y tamices, siendo después vueltos a incorporar al agua bruta. Consta el dilacerador de un tamiz tipo tambor que gira alrededor de un eje vertical provisto de ranuras con un paso entre 6-10 mm. Los sólidos se hacen pasar a través de unas barras de cizalladura o dientes cortantes donde son triturados antes de llegar al tambor. Se homogeneizan en tamaño y atraviesan las ranuras, saliendo por una abertura de fondo mediante un sifón invertido, siguiendo su camino aguas abajo. Esta operación está muy cuestionada y actualmente casi ha desaparecido de la mayoría de las instalaciones. Primero, no es lógico mantener o retornar al proceso aquellos sólidos que pueden eliminarse por desbaste o tamizado, ya que lo que hacemos es empeorar la calidad del agua residual que va a ser tratada posteriormente. Segundo, en la práctica, esta operación presenta varios inconvenientes: la necesidad de una atención frecuente debido a que se trata de un material muy delicado; el peligro de obstrucción de tuberías y bombas provocado por la acumulación en masas de las fibras textiles o vegetales unidas a las grasas y la formación de una costra de fango en los digestores anaerobios. Las tareas a realizar son las que siguen: x Vigilar las posibles obstrucciones de las tuberías; x Reponer los dientes del tambor, en caso de rotura; x Vaciar la poceta de los sólidos que pueden estar retenidos. Todas estas operaciones las debemos de realizar con la máquina desconectada. 140 �Desarenado El objetivo de esta operación es eliminar todas aquellas partículas de granulometría superior a 200 micras, con el fin de evitar que se produzcan sedimentos en los canales y conducciones, para proteger las bombas y otros aparatos contra la abrasión y para evitar sobrecargas en las fases de tratamiento siguiente. En caso de que sea necesario un bombeo, desbaste y desarenado deben ir antes de éste. Pero hay veces que es conveniente situar el bombeo previo al desarenado aun a costa de un mayor mantenimiento de las bombas. Esto ocurre cuando los colectores de llegada están situados a mucha profundidad, cuando el nivel freático está alto, etc. Los cálculos teóricos para el diseño de un desarenador están relacionados con los fenómenos de sedimentación de partículas granuladas no floculantes. Las velocidades de sedimentación se pueden calcular utilizando diversas fórmulas: x de Stokes, en régimen laminar; x de Newton, en régimen turbulento y x de Allen, en régimen transitorio. A cualquiera de estas fórmulas hay que aplicarle una serie de correcciones que tengan en cuenta: x La forma de las partículas o factor de esfericidad; x La concentración de sólidos en suspensión, si sobrepasan el 0,5 % y x La velocidad de flujo horizontal. En la siguiente tabla podemos comprobar cómo varía la velocidad de sedimentación en función del diámetro de la partícula: Tabla 10. Diámetro partíc.(mm) Veloc. sedimentación (m/h) 0,150 40-50 0,200 65-75 0,250 85-95 0,300 105-120 141 �En cuanto al cálculo de las dimensiones de un desarenador: x Su superficie horizontal se calcula en función de la velocidad de sedimentación de las partículas de menor tamaño que deben retenerse y del caudal máximo que circulará por el mismo. x Su sección transversal es función de la velocidad horizontal de flujo deseada. Los desarenadores se diseñan para eliminar partículas de arenas de tamaño superior a 0,200 mm y peso específico medio 2,65, obteniéndose un porcentaje de eliminación del 90 %. Si el peso específico de la arena es bastante menor de 2,65, deben usarse velocidades de sedimentación inferiores a las anteriores. Pero en esta operación eliminamos también otros elementos de origen orgánico no putrescibles como granos de café, semillas, huesos, cascaras de frutas y huevos que sedimentan a la misma velocidad que las partículas de arena y cuya extracción no interesa. Este problema se evita con el llamado Barrido o Limpieza de Fondo. Se explica por el hecho de que existe una velocidad crítica del flujo a través de la sección, por encima de la cual las partículas de un tamaño y densidad determinadas, una vez sedimentadas, pueden volver a ser puestas en movimiento y reintroducidas en la corriente. Teóricamente, para partículas de 0,200 mm de diámetro y peso específico 2,65, la velocidad crítica de barrido es de 0,25 m/s aunque en la práctica se adopta a efectos de diseño una velocidad de 0,30 m/s. Con esta velocidad se considera que las arenas extraídas salen con un contenido en materia orgánica inferior al 5 %. Canales desarenadores x De Flujo Variable: Se usan en pequeñas instalaciones. La arena se extrae manualmente de un canal longitudinal que tiene una capacidad de almacenamiento de 4-5 días. x De Flujo Constante: Mantienen una velocidad constante de flujo de 0,3 m/s aproximadamente, de forma independiente al caudal que circule por ellos. Las variaciones de altura en el canal nos darán una medida de dicho caudal. El canal más utilizado es el Canal Parshall que es un canal simple de paredes paralelas, que 142 �sufre un estrechamiento hacia la mitad; si aumenta el caudal aumenta la altura de la lámina de agua y al revés. Parámetros de diseño principales: x Carga hidráulica menor o igual a 70 m3/m2/h x Velocidad horizontal 0,3 m/s x Tiempo de retención 1-2 min a carga máxima x Longitud 20-25 veces la altura de la lámina de agua Desarenadores rectangulares aireados Se inyecta una cantidad de aire que provoca un movimiento helicoidal del líquido y crea una velocidad de barrido de fondo constante, perpendicular a la velocidad de paso, la cual puede variar sin que se produzca ningún inconveniente. Además se favorece la separación de las partículas orgánicas que puedan quedar adheridas a las partículas de arena. Este tipo de desarenador ofrece una serie de ventajas frente a otros tipos: x El agua se airea y por tanto, disminuye la producción de olores. x Rendimientos constantes con lo que podemos variar el caudal sin disminución del rendimiento. x Pérdidas de carga muy pequeñas. x Con un adecuado caudal de aire obtenemos unas arenas muy limpias de materia orgánica. x Puede ser usado también como desengrasador cuando el contenido en grasas del agua bruta no es muy elevado. Los difusores de aire se colocan en uno de los laterales del desarenador, a una altura entre 0,5-0,9 m. La cantidad de aire que hay que suministrar varía según la profundidad del canal: x De 3,0-12 l/s por metro de longitud del canal para profundidades superiores a 3,6 m. x De 1,5-7,5 l/s por metro de longitud del canal para profundidades menores. 143 �Desarenado y desengrasado pueden ir combinados cuando el primero lleva aireación. Parámetros de diseño principales: x Carga hidráulica menor o igual a 70 m³/m²/h a carga máxima x Velocidad horizontal menor o igual a 0,15 m/s x Tiempo de retención 2-5 min a carga máxima x Relación longitud-anchura 1:1- 5:1 Desarenadores circulares con alimentación tangencial El agua entra tangencialmente en un depósito cilíndrico con fondo tronco-cónico produciendo un efecto Vortex, el cual da como resultado la sedimentación de las arenas. Mientras, las partículas orgánicas se mantienen en suspensión mediante un sistema de agitación de paletas o por suministro de aire con un motocompresor. Parámetros de diseño principales: x Carga hidráulica menor o igual a 90 m3/m2/h a Q máx. x Velocidad periférica media 0,3-0,4 m/s x Tiempo de retención 0,5-1,0 min. a Q máx. Evacuación y tratamiento de las arenas Cuando se haga el diseño del pretratamiento hay que tener muy en cuenta el volumen de arenas extraídas, ya que su falta de previsión puede dar importantes problemas de funcionamiento en la depuradora al llegar volúmenes superiores a los considerados teóricamente. Esto puede ocurrir en poblaciones con calles sin pavimentar, con redes de alcantarillado en mal estado. Si no tenemos datos reales de la cantidad de arena posible, es necesario calcular por exceso los volúmenes de extracción, considerando valores normales: x Redes Separativas 5 l/m3 de agua residual x Redes Unitarias 50 l/m3 de agua residual Y que otro dato a tener en cuenta proveniente de varias plantas es que se pueden recoger de 1-15 l/hab/año. 144 �La extracción de las arenas de los desarenadores puede ser: a) Manuales: En plantas pequeñas, con desarenadores de tipo canal. b) Mecánicos: En los desarenadores de canal la extracción se realiza mediante unas bombas especiales incorporadas a un puente y con la longitud adecuada para llegar al fondo del canal, donde se depositan las arenas, pero sin llegar a tocar el suelo. El puente va avanzando a lo largo del canal y al mismo tiempo la bomba va succionando las arenas depositadas. En los desarenadores aireados la arena puede extraerse mediante air-lift (succión a través de unas bombas situadas en la base de la unidad con recogida en tolvas inferiores), bombas especiales o rasquetas de barrido que empujan las arenas a una tolva de las que son extraídas al exterior. Una vez sacadas las arenas del desarenador, hay que eliminar toda la cantidad posible de agua que llevan. La separación arena-agua se puede hacer: x Sedimentación en un depósito poco profundo, con evacuación del agua por losas filtrantes o vertedero de rebose. x Separación mecánica mediante Tornillo de Arquímedes o Clasificador Alternativo de Rastrillos, y almacenamiento en una tolva fija o en contenedor. x Mediante hidrociclón y almacenamiento en tolva con vertedero. x Mediante hidrociclón y recogida por Tornillo de Arquímedes antes de su almacenamiento en tolva fija o en contenedor. x En instalaciones importantes se procede a veces a un lavado de las arenas con el fin de disminuir su contenido en materia orgánica. Se puede realizar con Tornillo de Arquímedes con agua de aportación a contracorriente. Las tareas que debemos realizar son: x Vaciar los depósitos de arena de los canales de desarenado manual cuando veamos que está lleno. x Reparar y cambiar los difusores rotos en los desarenadores aireados. x Vigilar que el caudal de aire en los desarenadores aireados es el adecuado. 145 �x Realizar el mantenimiento de todos los equipos (bombas, rasquetas, cadenas, clasificadores de arena, etc.) según las recomendaciones de los fabricantes. Esta zona es especialmente resbaladiza, debemos tener un cuidado muy especial por este motivo, procurando retirar las manchas de grasa cuando estas aparezcan en el suelo. Tenga cuidado de los gases peligrosos cuando trabaje en desarenadores cubiertos. Los clasificadores son máquinas de movimiento lento y como ya hemos dicho estas máquinas son muy peligrosas. Debemos desconectarlas cada vez que tengamos que manipularlas por cualquier motivo. Desaceitado-desengrasado El objetivo en este paso es eliminar grasas, aceites, espumas y demás materiales flotantes más ligeros que el agua, que podrían distorsionar los procesos de tratamiento posteriores. El desaceitado consiste en una separación líquido-líquido, mientras que el desengrase es una separación sólido-líquido. En ambos casos se eliminan mediante insuflación de aire, para desemulsionar las grasas y mejorar la flotabilidad. Se podría hacer esta separación en los decantadores primarios al ir provistos éstos de unas rasquetas superficiales de barrido, pero cuando el volumen de grasa es importante, estas rasquetas son insuficientes y la recogida es deficitaria. Si se hacen desengrasado y desarenado juntos en un mismo recinto, es necesario crear una zona de tranquilización donde las grasas flotan y se acumulan en la superficie, evacuándose por vertedero o por barrido superficial y las arenas sedimentan en el fondo y son eliminadas por uno de los métodos que desarrollamos en el apartado anterior. En este caso, las dimensiones del desarenador son diferentes, siendo los parámetros principales: x Carga hidráulica menor o igual a 35 m3/m2/h a Q máx. x Tiempo de retención 10-15 min a Q medio x Caudal de aire introducido 0,5-2,0 m3/h/m3 de desengrasador Los desengrasadores separados del desarenado son aconsejables cuando se busca una mayor calidad del agua o cuando el agua proviene de ciertos tipos de industrias: petroquímicas y refinerías de petróleo producen gran cantidad de aceites, los mataderos 146 �producen gran cantidad de grasas, etc. Para este caso, el desengrasador se calcula para recibir una Carga Hidráulica menor o igual a 20 m3/m2/h. Las grasas y flotantes extraídos de los desengrasadores unidos a los flotantes extraídos en la decantación primaria suelen tratarse posteriormente en un concentrador de grasas donde se desprenden de su contenido en agua. Podríamos deshacernos de las grasas y espumas en una digestión anaerobia junto a los fangos ya que son en su mayor parte residuos orgánicos. Pero esto no es recomendable, ya que presenta el inconveniente de favorecer la formación de costras en el digestor. Las grasas concentradas se almacenan en contenedores especiales y posteriormente pasan a vertedero. También se podrían incinerar en caso de que existiese en la planta un horno de incineración de fangos o para tratamiento de fangos. Las tareas a realizar son: x Mantener en perfecto estado las rasquetas de limpieza superficial y en caso de deterioro, sustituirlas. x Vigilar el nivel de los contenedores de grasas para su vaciado. x Mantenimiento normal de los equipos según fabricante. Podríamos decir que esta es la zona con más riesgo de resbalón por la gran cantidad de grasas que puede haber depositado en el suelo y barandillas. Preaireación Sus objetivos son varios: x Mejorar la tratabilidad del agua, en cuanto esta llega séptica, contaminada, a la depuración; x Control de olores; x Mejorar la separación de las grasas; x Favorecer la floculación de sólidos; x Mantener el oxígeno en la decantación aun a bajos caudales; x Incrementar la eliminación de DBO5; x Evitar los depósitos en las cámaras húmedas. 147 �La preaireación se utiliza en: x Cabecera de instalación x En los desarenadores, incrementando el tiempo de retención y la capacidad de aireación. x En los canales de distribución a los decantadores primarios. Los principales parámetros de diseño son: x El tiempo de retención; x La disminución de los olores y la prevención de la septicidad implican un tiempo mínimo de 10-15 minutos; x x x La floculación efectiva de los sólidos; Demanda Bioquímica de Oxígeno; Los caudales de aire para mantener la adecuada turbulencia. Métodos de preaireación Son dos principalmente: difusores y aireadores mecánicos: Los difusores se clasifican en: x Porosos: Con forma de disco o de tubos. Construidos de SiO2 (óxido de silicio) o de Al2O3 (óxido de aluminio), pueden ser de tipo cerámico o estar construidos sobre una masa porosa con ligazón cerámica. x No porosos: de tipo boquilla, orificios, válvulas. Los de tipo boquilla y orificios están construidos de metal o plástico, tienen aberturas anchas y sueltan unas burbujas más grandes que los difusores de tipo poroso. La cantidad de difusores requeridos se calcula determinando la cantidad total de aire necesario y dividiéndolo por el caudal medio recomendado para cada difusor. Normalmente este caudal es de 1,9-7 l/s/ difusor. La distancia entre difusores es generalmente de 250-600 mm. 148 �La aireación mecánica se consigue mediante: x Turbinas x Aireadores de superficie Las tareas que realizaremos serán: x Comprobar que el caudal de aire insuflado es el adecuado. x Reparar y cambiar los difusores deteriorados. x Mantenimiento de equipos. 10.7. Tratamiento primario o tratamiento físico-químico La presencia en el agua de muchas sustancias sólidas constituye la parte más importante de la contaminación. Hay sólidos que por su tamaño pueden observarse a simple vista en el agua y dejando la suspensión en reposo, se pueden separar bien por decantación bajo la influencia de la gravedad o bien por flotación, dependiendo de las densidades relativas del sólido y del agua o mediante la filtración. Sin embargo, hay otras partículas coloidales (tamaño entre 0,001 y 0,1 μm) que presentan una gran estabilidad en agua y constituyen una parte importante de la contaminación, causa principal de la turbiedad del agua. Debido a la gran estabilidad que presentan, resulta imposible separarlas por decantación o flotación. Tampoco es posible separarlas por filtración porque pasarían a través de cualquier filtro. La causa de esta estabilidad es que estas partículas presentan cargas superficiales electrostáticas del mismo signo, que hace que existan fuerzas de repulsión entre ellas y les impida aglomerarse para sedimentar. Estas cargas son, en general, negativas, aunque los hidróxidos de hierro y aluminio las suelen tener positivas. El tratamiento físico- químico del agua residual tiene como finalidad, mediante la adición de ciertos productos químicos, la alteración del estado físico de estas sustancias que permanecerían por tiempo indefinido de forma estable para convertirlas en partículas susceptibles de separación por sedimentación. 149 �Mediante este tratamiento puede llegar a eliminarse del 80 al 90 % de la materia total suspendida, del 40 al 70 % de la DBO5 y del 30 al 40 % de la DQO. El tratamiento físico-químico puede constituir una única etapa dentro del tratamiento del agua residual o bien puede interponerse como proceso de depuración complementario entre el pretratamiento y el tratamiento biológico. En cualquiera de los dos casos, el vertido procedente del pretratamiento es sometido a las distintas fases de depuración físico-químicas: x Coagulación x Coadyuvación x Floculación El proceso de coagulación se efectúa en un sistema que permita una mezcla rápida y homogénea del producto coagulante con el agua residual, llamado mezclador rápido o coagulador. Consiste en una cámara de mezcla provista de un sistema de agitación que puede ser del tipo de hélice o turbina. El coagulante debe ser dosificado al vertido en forma de disolución a una concentración determinada. En algunos casos, el reactivo se recibe en la planta, disuelto y se almacena en los depósitos. Otras veces se recibe en estado sólido, en cuyo caso, el tanque utilizado para su almacenamiento debe estar provisto de un sistema de agitación para la preparación de la disolución. El transporte del producto desde el depósito de almacenamiento hasta la cámara de mezcla se lleva a cabo mediante una bomba dosificadora. La coadyuvación tiene como finalidad llevar el vertido a un pH óptimo para ser tratado. Para ello se utilizan ciertos productos químicos llamados coadyuvantes o ayudantes de coagulación. Este proceso tiene lugar en la misma cámara donde se realiza la coagulación. Como en el caso del coagulante, el coadyuvante se prepara en un dispositivo aparte provisto de un sistema de agitación. Igualmente, para la adición del reactivo al agua residual se emplea una bomba dosificadora. El vertido, una vez coagulado, pasará a la siguiente etapa, denominada floculación. En dicha etapa, se le añade al agua un producto químico llamado floculante (polielectrolito), cuya función fundamental es favorecer la agregación de las partículas individuales o flóculos formados durante la coagulación. Se originan flóculos de mayor tamaño, los 150 �cuales, debido a su aumento de peso, decantarán en la última etapa del tratamiento físico-químico. La floculación puede tener lugar en un floculador separado o bien en el interior de un decantador. Los floculadores son depósitos provistos de sistemas de agitación que giran con relativa lentitud para no romper los flóculos formados durante la coagulación. El tiempo de retención en estos sistemas suele ser de 10 a 30 minutos. Los sistemas de agitación pueden estar constituidos por hélices o por un conjunto de palas fijadas sobre un eje giratorio horizontal o vertical. Otra posibilidad es realizar el proceso de coagulación-floculación y decantación en una sola unidad. En este caso, el decantador lleva incorporado un sistema de recirculación de fangos para mejorar el crecimiento de las partículas y facilitar su sedimentación. La dosificación de polielectrolito también se hace en forma de disolución, debido a las características propias del reactivo (altaviscosidad), su preparación requiere un especial cuidado. El depósito de almacenamiento de polielectrolito deberá disponer de un agitador para poder proceder a su acondicionamiento. La aplicación del reactivo al agua se realiza mediante una bomba especial para este tipo de producto. Se suele utilizar una bomba de desplazamiento y caudal variable, por ejemplo, una bomba tipo mono, de engranaje, pistón, etc. 10.8. Aplicaciones del tratamiento físico-químico Las principales aplicaciones del tratamiento físico-químico son las siguientes: x Depuradoras para zonas turísticas con vertidos reducidos a ciertas épocas del año. (En el caso de poblaciones cuyos vertidos reducidos a ciertas épocas del año o para cubrir puntas estaciónales). En depuradoras que tratan los vertidos de una comunidad o de una población cuyo número de usuarios es muy variable, o bien, para cubrir puntas estaciónales, este tratamiento puede aplicarse inmediatamente antes de una depuración biológica. En este caso la misión del tratamiento físico- químico sería la reducción de la contaminación que llega al proceso biológico. 151 �x Depuradoras para zonas industriales o mixtas donde los vertidos arrastran iones metálicos tóxicos que pueden destruir la actividad biológica. En muchas localidades, la descarga de vertidos industriales a las alcantarillas ha dado como resultado un agua residual que no es tratable por medios biológicos. En tales situaciones, el tratamiento físico-químico constituye una solución alternativa *Como tratamiento de afino para la eliminación de nutrientes como el fósforo. 1. Coagulación La coagulación consiste en desestabilizar los coloides por neutralización de sus cargas, dando lugar a la formación de un flóculo o precipitado. La coagulación de las partículas coloidales se consigue añadiéndole al agua un producto químico (electrolito) llamado coagulante. Normalmente se utilizan las sales de hierro y aluminio. Se pueden considerar dos mecanismos básicos en este proceso: a) Neutralización de la carga del coloide El electrolito al solubilizarse en agua libera iones positivos con la suficiente densidad de carga para atraer a las partículas coloidales y neutralizar su carga. Se ha observado que el efecto aumenta marcadamente con el número de cargas del ion coagulante. Así pues, para materias coloidales con cargas negativas, los iones Ba y Mg, bivalentes, son en primera aproximación 30 veces más efectivos que el Na, monovalente; y, a su vez, el Fe y Al, trivalentes, unas 30 veces superiores a los divalentes. Para los coloides con cargas positivas, la misma relación aproximada existe entre el ion cloruro, Cl-, monovalente, el sulfato, (SO4)-2, divalente, y el fosfato, (PO4)-3, trivalente. b) Inmersión en un precipitado o flóculo de barrido Los coagulantes forman en el agua ciertos productos de baja solubilidad que precipitan. Las partículas coloidales sirven como núcleo de precipitación quedando inmersas dentro del precipitado. 152 �Los factores que influyen en el proceso de coagulación: 1) pH: EL pH es un factor crítico en el proceso de coagulación. Siempre hay un intervalo de pH en el que un coagulante específico trabaja mejor, que coincide con el mínimo de solubilidad de los iones metálicos del coagulante utilizado. Siempre que sea posible, la coagulación se debe efectuar dentro de esta zona óptima de pH, ya que de lo contrario se podría dar un desperdicio de productos químicos y un descenso del rendimiento de la planta. Si el pH del agua no fuera el adecuado, se puede modificar mediante el uso de coadyuvantes o ayudantes de la coagulación, entre los que se encuentran: x Cal viva x Cal apagada x Carbonato sódico x Sosa cáustica x Ácidos minerales 2) Agitación rápida de la mezcla Para que la coagulación sea óptima, es necesario que la neutralización de los coloides sea total antes de que comience a formarse el flóculo o precipitado. Por lo tanto, al ser la neutralización de los coloides el principal objetivo que se pretende en el momento de la introducción del coagulante, es necesario que el reactivo empleado se difunda con la mayor rapidez posible, ya que el tiempo de coagulación es muy corto (1sg). 3) Tipo y cantidad de coagulante Los coagulantes principalmente utilizados son las sales de aluminio y de hierro. Las reacciones de precipitación que tienen lugar con cada coagulante son las siguientes: 153 �x Sulfato de aluminio (también conocido como sulfato de alúmina) (Al2(SO4)3) Cuando se añade sulfato de alúmina al agua residual que contiene alcalinidad de carbonato ácido de calcio y magnesio, la reacción que tiene lugar es la siguiente: Al2 (SO4)3 + 3 Ca (HCO3)2 = 2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2 La reacción es análoga cuando se sustituye el bicarbonato cálcico por la sal de magnesio. Rango de pH para la coagulación óptima: 5-7,5. Dosis: en tratamiento de aguas residuales, de 100 a 300 g/m3, según el tipo de agua residual y la exigencia de calidad. x Con cal: Al2 (SO4)3 + Ca(OH)2 = 2 Al(OH) + 3 CaSO4 Dosis: se necesita de cal un tercio de la dosis de sulfato de alúmina comercial. x Con carbonato de sodio: Al2 (SO4)3 + 3 H2O + 3 Na2CO3 = 2 Al(OH)3 + 3 Na2SO4 + 3 CO2 Dosis: se necesita entre el 50 y el 100 % de la dosis de sulfato de aluminio comercial. x Sulfato ferroso (FeSO4) Con la alcalinidad natural: FeSO4 + Ca (HCO3)2 = Fe(OH)2 + CaSO4 + CO2 Seguido del proceso de oxidación mediante la reacción: Fe (OH)2 + O2 + H2O = Fe (OH)3 Rango de pH para la coagulación óptima, alredededor de 9,5. 154 �Dosis: se necesitan de 200 a 400 g/m3 de reactivo comercial FeS04 7H2O * Con cal: Fe (SO4)2 + Ca (OH) 2 = Fe(OH)2 + Ca(SO4) Seguido del proceso de oxidación mediante la reacción. Fe (OH)2 + O2 + H2O = Fe (OH)3 Dosis de cal: el 26% de la dosis de sulfato ferroso. x Sulfato férrico (Fe2(SO4)3) Con la alcalinidad natural: Fe2 (SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 = 2 Fe(OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2 Rango de pH para la coagulación óptima: entre 4 y 7, y mayor de 9. Dosis: de 10 a 150 g/m3 de reactivo comercial Fe2 (SO4)3 9H2O * Con cal: Fe2 (SO4)3 + 3 Ca(OH)2 = 2 Fe(OH)3 + 3 CaSO4 Dosis de cal: el 50 % de la dosis de sulfato férrico x Cloruro férrico (FeCl3) Con la alcalinidad natural: 2 FeCl3 + 3 Ca (HCO3)2 = 3 CaCl2 + 2 Fe(OH)3 + 6 CO2 Rango de pH para la coagulación óptima: entre 4 y 6, y mayor de 8. Dosis: de 5 a 160 g/m3 de reactivo comercial FeCl3 6H2O * Con cal: 2 FeCl3 + 3 Ca (OH)2 = 2 Fe (OH)3 + 3 CaCl2 La selección del coagulante y la dosis exacta necesaria en cada caso, sólo puede ser determinada mediante ensayos de laboratorio (Jar-Test). 2. Floculación La floculación trata la unión entre los flóculos ya formados con el fin de aumentar su volumen y peso de forma que pueden decantar. Consiste en la captación mecánica de las 155 �partículas neutralizadas dando lugar a un entramado de sólidos de mayor volumen. De esta forma, se consigue un aumento considerable del tamaño y la densidad de las partículas coaguladas, aumentando, por tanto, la velocidad de sedimentación de los flóculos. Básicamente, existen dos mecanismos por los que las partículas entran en contacto: x Por el propio movimiento de las partículas (difusión browniana). En este caso se habla de Floculación pericinética o por convección natural. Es muy lenta. x Por el movimiento del fluido que contiene a las partículas, que induce a un movimiento de éstas. Esto se consigue mediante agitación de la mezcla. A este mecanismo se le denomina Floculación ortocinética o por convección forzada. Existen además ciertos productos químicos llamados floculantes que ayudan en el proceso de floculación. Un floculante actúa reuniendo las partículas individuales en aglomerados, aumentando la calidad del flóculo (flóculo más pesado y voluminoso). Hay diversos factores que influyen en la floculación: a) Coagulación previa lo más perfecta posible b) Agitación lenta y homogénea. (La floculación es estimulada por una agitación lenta de la mezcla puesto que así se favorece la unión entre los flóculos. Un mezclado demasiado intenso no interesa porque rompería los flóculos ya formados). c) Temperatura del agua La influencia principal de la temperatura en la floculación es su efecto sobre el tiempo requerido para una buena formación de flóculos. Generalmente, temperaturas bajas dificultan la clarificación del agua, por lo que se requieren periodos de floculación más largos o mayores dosis de floculante. d) Características del agua Un agua que contiene poca turbiedad coloidal es, frecuentemente, de floculación más difícil, ya que las partículas sólidas en suspensión actúan como núcleos para la formación inicial de flóculos. d) Tipos de floculantes. Según su naturaleza, los floculantes pueden ser: 156 �x Minerales: por ejemplo, la sílice activada. Se le ha considerado como el mejor floculante capaz de asociarse a las sales de aluminio. Se utiliza sobre todo en el tratamiento de agua potable. x Orgánicos: son macromoléculas de cadena larga y alto peso molecular, de origen natural o sintético. Los floculantes orgánicos de origen natural se obtienen a partir de productos naturales como alginatos (extractos de algas), almidones (extractos de granos vegetales) y derivados de la celulosa. Su eficacia es relativamente pequeña. Los de origen sintético, son macromoléculas de cadena larga, solubles en agua, conseguidas por asociación de monómeros simples sintéticos, alguno de los cuales poseen cargas eléctricas o grupos ionizables por lo que se le denominan polielectrolitos. Según el carácter iónico de estos grupos activos, se distinguen: x Polielectrolitos no iónicos: son poliacrilamidas de masa molecular comprendida entre 1 y 30 millones. x Polielectrolitos aniónicos: Caracterizados por tener grupos ionizados negativamente (grupos carboxílicos). x Polielectrolitos catiónicos: caracterizados por tener en sus cadenas una carga eléctrica positiva, debida a la presencia de grupos amino. La selección del polielectrolito adecuado se hará mediante ensayos jartest. En general, la acción de los polielectrolitos puede dividirse en tres categorías: En la primera, los polielectrolitos actúan como coagulantes rebajando la carga de las partículas, puesto que las partículas del agua residual están cargadas negativamente, se utilizan a tal fin los polielectrolitos catiónicos. La segunda forma de acción de los polielectrolitos es la formación de puentes entre las partículas. El puente se forma entre las partículas que son absorbidas por un mismo polímero, las cuales se entrelazan entre sí provocando su crecimiento. La tercera forma de actuar se clasifica como una acción de coagulación - formación de puentes, que resulta al utilizar polielectrolitos catiónicos de alto peso molecular. Además de disminuir la carga, estos polielectrolitos formarán también puentes entre las partículas. 157 �3. Decantación o Flotación Esta última etapa tiene como finalidad el separar los agregados formados del seno del agua. Tanques sépticos Los tanques sépticos son órganos primarios de tratamiento, son depósitos herméticos construidos de concreto, ladrillos o fibrocementos, etc., destinados a facilitar la sedimentación de gran parte de la materia en suspensión en el residual, incluido la materia orgánica, la digestión (descomposición anaeróbica de la materia en el fondo del tanque), la retención de sólidos flotantes y de las grasas que constituyen una costra en la superficie libre del líquido y la reducción sensible en el número de bacterias patógenas eventualmente presentes en el albañal; son utilizados en los países tropicales con buenos resultados en su funcionamiento. Los tanques sépticos como órganos de tratamiento primario deben recibir un tratamiento posterior (campo de infiltración, pozo de absorción, filtro biológico, o laguna) y no verterlos libremente en aguas superficiales de caudal mínimo o verter al manto freático por el peligro de contaminación. Fosa Maura Es un tanque hermético de hormigón, ladrillo y bloque etc. dividido en dos partes comunicados por tuberías, cuyo volumen es de 2/3 y 1/3 del tanque. Su funcionamiento y dispositivo son similares a los del tanque séptico. Su efluente debe tener un destino final. Tanque Imhoff Los tanques Imhoff tienen doble fondo, el cual posee dos compartimientos, uno donde ocurre propiamente el sedimentación o decantación y otro donde se disponen los fangos. 10. 9.Tratamiento secundario Los procesos de oxidación biológica Este tipo de tratamiento de las aguas residuales está encaminado a la eliminación de los sólidos en suspensión y de los compuestos orgánicos biodegradables. Los tratamientos 158 �secundarios más utilizados son plantas convencionales con lodos activados o cultivos fijos, biodigestores, sistema de lagunaje y humedades. La oxidación biológica es el mecanismo mediante el cual los microorganismos degradan la materia orgánica contaminante del agua residual. De esta forma, estos microorganismos se alimentan de dicha materia orgánica en presencia de oxígeno y nutrientes, de acuerdo con la siguiente reacción: Materia orgánica + Microorganismos + Nutrientes + O2=> Productos Finales + Nuevos microorganismos + Energía Para que lo anteriormente expuesto se produzca, son necesarias dos tipos de reacciones fundamentales totalmente acopladas: de síntesis o asimilación y de respiración endógena u oxidación. Factores que intervienen en la oxidación biológica Los factores principales que hay que tener en cuenta para que se produzcan las reacciones biológicas y por tanto, la depuración del agua residual son: Las características del sustrato Las características físico-químicas del agua residual, determinan el mejor o peor desarrollo de los microorganismos en este sistema, existiendo compuestos contaminantes que son degradables biológicamente y otros que no lo son. Los nutrientes El interior celular, aparte del carbono, hidrógeno, oxígeno y elementos característicos de la materia orgánica, contiene otros elementos como son el nitrógeno, fósforo, azufre, calcio, magnesio etc., denominados nutrientes y que a pesar de que muchos de ellos se encuentran en el organismo sólo en pequeñas cantidades, son fundamentales para el desarrollo de la síntesis biológica. Se ha determinado a nivel medio que los microorganismos para sobrevivir necesitan por cada 1000 gr. de carbono, 43 de nitrógeno y 6 de fosforo, y que en las aguas residuales urbanas existen por cada 1000 gr. de carbono 200 gr. de nitrógeno y 16 gr. de fosforo. Si comparamos lo que necesitan los microorganismos para sobrevivir, con las cantidades existentes de dichos elementos en el agua residual, podemos concluir que a título general dichos microorganismos pueden desarrollarse en el agua residual perfectamente. 159 �Es interesante comentar que en el caso de determinadas aguas con vertidos industriales, las proporciones de dichos elementos no están equilibradas, siendo necesario a veces dosificar nitrógeno y fósforo en el agua, para que pueda darse el desarrollo bacteriano y exista depuración biológica. Aportación de Oxígeno: Como hemos visto, para el desarrollo de las reacciones biológicas es necesario un medio aerobio, es decir, con oxígeno suficiente que permita el desarrollo y la respiración de los microorganismos aerobios. Temperatura: A medida que aumenta la Temperatura, aumenta la velocidad con que los microorganismos degradan la materia orgánica, pero a partir de los 37°C, dichos organismos mueren. Nuestras temperaturas son ideales para el desarrollo óptimo de los procesos de depuración biológica. Salinidad: El contenido en sales disueltas no suele ser problemático para el desarrollo bacteriano en el proceso de fangos activos hasta concentraciones de 3 a 4 gr/l. En los procesos de cultivos fijos (lechos bacterianos), la influencia es aún menor, no afectando valores que no superen los 15 gr/l. Sin embargo, existen multitud de grupos bacterianos capaces de vivir en aguas saladas, de forma que si a tu sistema de depuración le das tiempo de adaptación, pueden desarrollarse bastante bien dichos grupos microbianos a concentraciones salinas superiores. En este sentido, la E.D.A.R. de El Rompido que funciona mediante tratamiento biológico por Fangos Activos, tiene un rendimiento excelente con aguas residuales de elevada salinidad. Tóxicos o inhibidores: Existen una serie de sustancias orgánicas e inorgánicas que, a ciertas concentraciones, inhiben o impiden los procesos biológicos. Este tipo de sustancias, entre las que se encuentran los metales pesados, ejercen un efecto perjudicial sobre los microorganismos encargados de depurar el agua y por tanto, no deben de entrar en las plantas depuradoras con el agua residual, o si entran deben de hacerlo en concentraciones muy bajas. 160 �Todos estos factores mencionados son de gran importancia y deben de ser controlados si queremos obtener un rendimiento eficaz de depuración por parte de los microorganismos encargados de degradar la materia orgánica del agua residual. Proceso de cultivos aeróbicos suspendidos El residuo orgánico se introduce en un reactor, donde se mantiene un cultivo bacteriano aerobio en suspensión. El contenido del reactor se conoce con el nombre de mezcla líquida. Procesos aerobios de tratamiento de cultivo fijo Estos procesos se emplean, normalmente para eliminar la materia orgánica que se encuentra en el residual. Se realizan en reactores biológicos rotativos de contacto (biodisco) y los reactores de lecho fijo, que los más usados son los filtros percoladores. Proceso de digestión anaeróbicos En este proceso la materia orgánica contenida en la mezcla de fangos primarios y biológicos se convierte biológicamente, bajo condiciones anaeróbicas, en metano (CH4) y de dióxido de carbono (CO2). El proceso se lleva a cabo en un reactor completamente cerrado para así lograr recoger el metano producido y utilizado como fuente de energía. Lagunas de oxidación El tratamiento por lagunaje de aguas residuales consiste en el almacenamiento de éstas durante un tiempo variable en función de la carga aplicada y las condiciones climáticas, de forma que la materia orgánica resulte degradada mediante la actividad de bacterias heterótrofas presentes en el medio. Puesto que en la depuración por lagunaje no interviene para nada la acción del hombre, es un método biológico natural de tratamiento, basado en los mismos principios por los que tiene lugar la autodepuración en ríos y lagos. En el caso de las lagunas de estabilización, las aguas residuales son en su práctica totalidad de tipo urbano. Las lagunas de oxidación, en forma general presentan una serie de dificultades, que más que una solución, muchas veces son una amenaza para el medio ambiente donde se produce la descarga. Criterios para evaluación de las lagunas de oxidación: 1. Cerca perimetral y señalización; 161 �2. Emisarios de entrada y salida en buen estado; 3. Registro de entrada y salida en buen estado; 4. Circulación adecuada del residual (afluente y efluente); 5. Chapea y limpieza de taludes y coronas; 6. No presencia de vegetación en el interior de la laguna; 7. Tener una eficiencia de remoción de materia orgánica no menor del 80 %; 8. Tener una eficiencia de remoción de coliformes (NMP) no menor del 80 %; 9. Tener una remoción de sólidos totales disueltos no menor del 80 %; 10. Poseer un manual de operación; 11. No presencia de espumas y/o material flotante en la superficie liquida; 12. No presencia de sólidos extraídos de la superficie en los taludes; 13. Capacitación del personal que opera las mismas y 14. Existencia de trampas de grasas y desarenador en la conductora. Las lagunas de oxidación se clasifican, de acuerdo con la naturaleza de la actividad biológica, en aerobias, anaerobias y facultativas. Las lagunas aerobias se diseñan con profundidades pequeñas entre 0,3 y 0,4 m y se les alimenta un residual previamente sedimentado con cargas orgánicas relativamente bajas. Cuando trabajan a bajas velocidades, cargas muy bajas se conocen como lagunas de maduración. Las lagunas anaerobias se diseñan con profundidades grandes entre 2,5 y 5 m y se les alimenta residual con altas cargas orgánicas. El residual alimentado no se sedimenta previamente. Las lagunas facultativas tienen dos zonas bien definidas: una anaerobia cercana al fondo y otra aerobia en la zona superficial. En la fig. 5. Se muestra el esquema de una laguna facultativa. La profundidades de diseño de estas lagunas están entre 1 y 2 m y en ellas se pueden esperar remociones que oscilen entre 80 y 95 %. 162 �Vientos, oxígeno, luz solar Aerobio: sustancias orgánicas suspendidas, oxígeno, Residual bacterias, algas, luz solar. Efluente Anaerobio: sustancias orgánicas, bacterias, depredadores, algas. Figura 17. Esquema de una laguna de oxidación facultativa. Tratamiento terciario o avanzado Recientemente el Tratamiento Terciario o Avanzado se ha aplicado a las operaciones o procesos utilizados para eliminar contaminantes que no se han visto afectados por los tratamientos antes mencionados. El tratamiento terciario elimina constituyentes de las aguas residuales que merecen atención especial, como los nutrientes, los compuestos tóxicos y los excesos de materia orgánica o de sólidos en suspensión. Tratamientos terciarios incluyen la remoción de: x Bacterias por cloración; x Virus por ozonación o luz ultravioleta; x Tratamientos biológicos de cultivos fijos o suspendidos; x Eliminación o disminución de compuestos orgánicos por absorción activada, evaporación, ósmosis inversa, etc. y x Eliminación o disminución de compuestos inorgánicos por electrodiálisis, intercambio iónico, ósmosis inversa, etc. El tratamiento de residuales puede ser muy variado e incluso se puede obviar etapas completas; por ejemplo, en algunos casos solo bastaría aplicar tratamiento primario; en otros es posible obviar el tratamiento terciario, mientras que en otros casos será necesario un tratamiento completo y cuidadoso. 163 �El caudal del agua residual suele estimarse en función del caudal de agua potable suministrado a la red por los servicios municipales. Para hacer esta estimación se tiene en cuenta que existen una serie de pérdidas que provocan que el caudal de aguas residuales generado sea inferior al de agua potable suministrada. Estas pérdidas se deben, fundamentalmente, al estado de la red. Cuando ésta se encuentra en mal estado se producen infiltraciones importantes en el subsuelo. Otras posibles pérdidas se deben a usos del agua en los que no se produce su reincorporación al alcantarillado, como ocurre en los riegos. Por tanto, la fracción de agua facturada por el municipio que llega a la planta de tratamiento varía de pueblo a pueblo en función del estado de la red y del uso del agua por la población. En general, se considera que un 60 al 80 % del agua potable se transformará en agua residual. Por otra parte, la red de alcantarillado puede disponer o no de sistemas que permitan separar las aguas de lluvia de las aguas residuales. En el primer caso, la red se llama separativa, ya que las aguas pluviales se incorporan a distintas conducciones y en consecuencia, nunca llegan a la planta de tratamiento de residuales. En el segundo caso, la red se llama unitaria. Esta diferencia es muy importante cuando se proyecta la planta depuradora, puesto que para las redes unitarias durante los períodos lluviosos hay un aumento de caudal a tratar acompañado por una reducción en la carga orgánica por unidad de volumen, es decir, una dilución del agua residual ocasionada por la incorporación a ésta del agua de lluvia. Emisarios submarinos La descarga de aguas residuales domésticas al mar empleando emisarios submarinos es una alternativa posible, comprobada en la práctica, para ciudades, poblados y centros turísticos localizados en zonas costeras. Las aguas residuales descargadas por emisarios submarinos deben poseer tratamiento primario, o al menos preliminar. En Cuba hay varios, entre ellos al este de la Ciudad de La Habana y en la bahía de Cienfuegos. 10.10. Tratamiento de efluentes y lodos Los cuerpos contaminantes eliminados de la fase líquida a lo largo del tratamiento del agua, cualquiera que sea su naturaleza, se encuentran finalmente reunidos en 164 �suspensiones más o menos concentradas, denominadas lodos o fangos. Estos, en general, no contienen solamente las materias en suspensión, coloides, materias orgánicas, sales o iones indeseables, sino también cuerpos (reactivos o material de carga) añadidos al agua a tratar, para asegurar la eficacia de la depuración. Cuando se habla de depuración de aguas residuales, lo que se hace a la postre es concentrar la polución en los subproductos resultantes de la depuración, concretamente los elementos contaminantes se traspasan del influente al lodo y por ello a este último ha de buscársele un destino final que debe estar justificado desde el punto de vista ecológico, económico y energético. El vertido de efluentes contaminantes en cursos de aguas superficiales y subterráneas, en un volumen muy superior a la capacidad regenerativa de dichos cauces, está provocando unos graves problemas ecológicos en muchos países desarrollados. Para resolver esta problemática en los últimos años, se ha dedicado una atención preferente a la implantación de sistemas de depuración que permiten evacuar los efluentes al medio natural con una calidad adecuada y con el menor coste posible. Aunque, en general, la atención prioritaria de estos procesos se orienta hacia la descontaminación del agua, al que se toma como elemento central, no debe descuidarse la incidencia sobre el medio ambiente y los costes, de los subproductos generados en el proceso, tanto en lo que respecta a su procesamiento como a su destino posterior. En consecuencia, paralelamente a la selección de un buen sistema de depuración, es imprescindible efectuar un estudio minucioso para fijar el sistema de eliminación de residuos de forma no contaminante y económica o recuperarlos de una forma racional. Dado los múltiples parámetros y condicionantes que inciden en el destino final de los lodos, no debe partirse de una idea preconcebida sobre el tipo de eliminación del referido residuo, pues las soluciones que se tomen para una zona pueden no ser adecuadas para otra y viceversa. Por ello, conviene apuntar que ninguna de las posibles soluciones: destino vertedero, incineración o uso agrícola deben ser desestimadas previamente sin un análisis minucioso de los condicionantes que concurren en cada caso. Destino vertedero Dentro del destino a vertedero se contemplan dos posibilidades: vertedero controlado o vertido al mar. 165 �Vertedero controlado El sistema de eliminación de lodos mediante vertedero, es una solución que se está utilizando ampliamente siempre que se cumplan unas condiciones sanitarias y económicas, pudiendo afirmarse que la proporción de lodo con este destino supone por término medio el 25 % de los lodos producidos. En general existen dos alternativas para eliminar estos lodos, bien en un vertedero exclusivamente de lodos de depuradoras que generalmente se realiza en zanjas o bien, en un vertedero combinado donde se depositan conjuntamente lodos y residuos sólidos urbanos, siendo preciso en este último caso que los lodos no tengan excesiva humedad para que no se produzcan deslizamientos de los terraplenes que se van formando. Vertido al mar Esta alternativa no es recomendable, aunque en algunos países europeos costeros es una práctica que se sigue utilizando, en otros está totalmente prohibido. En USA aún se sigue vertiendo al mar en un porcentaje próximo al 5 % aunque esta práctica está en continua recesión. Aunque en general se efectúa previamente un estudio minucioso para la selección del punto de vertido, existen factores que se desconocen totalmente sobre los efectos de las referidas descargas, este es el caso de la incidencia de los metales pesados y contaminantes sintéticos orgánicos sobre el ecosistema marino. Incineración La incineración es una solución que plantea las mayores controversias y discusiones entre los especialistas sobre el tema y más si se tiene en cuenta los cambiantes costes energéticos. En principio parece razonable pensar que esta solución debe adoptarse como último recurso, cuando no sea posible el aprovechamiento de los lodos o que el coste de su transporte al punto de vertido supere los costes del proceso de incineración. Utilización agrícola de lodos El uso agrícola de lodos es la alternativa que cuenta con mayor número de defensores, pues ello lleva consigo el concepto de reutilización, lo que implica la asignación de un valor económico al subproducto resultante de la depuración de las aguas residuales. 166 �Así mismo, teniendo en cuenta la problemática existente en la agricultura de nuestros días en relación con el drástico descenso de materia orgánica de los suelos, principalmente en las regiones áridas y semiáridas, es por lo que resulta cada vez más acuciante utilizar compuestos alternativos a los estiércoles tradicionales, cuya producción está en continua recesión debido a la creciente mecanización agrícola. Por ello los países más desarrollados de la CEE utilizan en agricultura un alto porcentaje de su producción de lodos y en este sentido se puede reseñar que Alemania dedica el 45 %, Inglaterra el 44 %, Holanda el 54 %, Francia el 28 % e Italia el 32 %. Estados Unidos dedica en su agricultura el 42 % de los lodos producidos. Observaciones: 1. Puede considerarse como sedimentadores primarios; 2. Combina un sedimentador primario con un digestor; 3. Son sistemas de lagunaje que pueden eliminar algunos elementos como fosfatos; 4. Son plantas que combinan el sistema de lagunaje con los procedimientos convencionales de tratamiento secundario y como desinfección se utiliza luz ultravioleta. Tabla 9.Resumen de las instalaciones más importantes para tratamientos de agua Tipo de instalación Tipo de Carga orgánica Entrada tratamiento residuales Conversión de ( DBO5 ) % Tanques sépticos 1 Primario 0.1 a 0.2 kg DBO. M-3. d-1 40 Tanques Imhoff 2 Primario 0.1 a 0.2 kg DBO. M-3. d-1 40 a 50 Aerobias: 8. 103 kg DBO. M-3. d-1. Aerobias: 80 y 95 Lagunas de oxidación Secundario 3 Anaeróbias: 3.103 kg DBO. M-3. Anaerobias: 50 y d-1. 85. Facultativas: 80 y 167 �Facultativas:4.103 kg DBO. M-3. d- 95. Humedales 3 Secundario Aeróbias: 8. 103 kg DBO.km-2. d-1. 60 a 90 Filtros percoladores Secundario 0.1 a 0.8 kg DBO. M-3. d-1 70 Lodos activados Secundario 0.5 a 15 kg DBO. M-3. d-1 70 a 90 Digestores Secundario 0.5 a 1.5 kg DBO. M-3. d-1 70 a 90 Terciarios 0.5 a 2 kg DBO. M-3. d-1 97 anaeróbicos Plantas ecológicas 4 Tabla 10. Remoción de los principales contaminantes No Contaminantes 1 Sólidos en suspensión Impactos Tratamientos Formación de incrustaciones y Sedimentación, filtración, sedimentos y limitación de la Tanques sépticos, penetración de la luz lagunas, humedales, tamices 2 Suspensión Formación de incrustaciones, coloidal sedimentos y limitación de la Coagulación-filtración penetración de la luz 3 Materia orgánica biodegradable Decrecimiento del oxígeno disuelto Tanques lagunas sépticos, , humedales, lodos activados 4 5 Grasas y aceites Problemas de en el Trampas de grasas funcionamiento de las redes Tanques sépticos Sustancias Toxicidad para el hombre y la Carbón orgánicas tóxicas vida acuática oxidación activado, química y térmica e aeración 6 Moléculas O2 Corrosión Dereación de gases hidracina e inhibidores CO2 Corrosión Dereación térmica y alcalización NH3 Incrustaciones y corrosión en Dereación térmica el cobre SH2 Incrustaciones y corrosión Adición de biocida 168 �7 Sólidos Incrustaciones, corrosión, inorgánicas salinización de las aguas Ósmosis inversa Precipitación química disueltas 8 Nitrógeno Intercambio iónico Eutrofización de las aguas Nitrificación/ naturales, formación de nitritos desnitrificación, y nitratos Intercambio iónico y osmosis inversa 9 Fósforo Eutrofización de las aguas Ósmosis inversa naturales 10 Organismos Incrustaciones, patógenos enfermedades Precipitación con cal corrosión y Adición de Biocida. Oxidantes y no oxidantes. 169 �BIBLIOGRAFÍA SILVERS, A. & C. HAKKARINEN (1987): “Materials damage from air pollutants”; EPRI Journal, September, p58. RAY, ASFAHL (2010): Seguridad industrial y administración de la salud. Prentice Hall. Sexta edición.536p. MATOS. T. R. Y ROMELIA, H. C. (1988): Aspectos Fundamentales de Química Física. Tomo I. La Habana. Editorial Pueblo y Educación. 328 p. LODGE, J.P. (1985): “Materials damage by environmental pollutants: Data requirements”. The American Statician, 39, 412. JACOBSON, J.S. Y R.E. SHOWMAN (1984): “Field survey of vegetation during a generation in the Ohio River valley”; JAPCA, 34, 48. GOLDSTEIN, R.: Response of vegetation to interacting stresses• EPRI Journal, October 1987, p36. CHEVONE, B.I. et al (1986).: “Direct effects of atmosphere sulate deposition on vegetation”; JAPCA, 36,813. CHENG, R.J. Y R. CASTILLO (1984): “A study of marble deterioration at City Hall, Schenectady”, NY. JAPCA, 34,15. AMDUR, M.O. et al. 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Title A name given to the resource Uso y manejo del agua Creator An entity primarily responsible for making the resource Miguel Garrido Rodríguez Publisher An entity responsible for making the resource available Editorial Digital Universitaria de Moa Type The nature or genre of the resource Monografía