Heavy metals recovery from industrial aqueous effluents by membrane technology

Abstract

Dentro de la industria el agua se utiliza para muchos fines. En las líneas de tratamiento de superficie de la industria siderúrgica, el agua se usa principalmente en la preparación de los baños metálicos y en las corrientes de aclarado y limpieza de las superficies. En la minería, el agua se usa para las disoluciones de limpieza de los filtros que disminuyen la humedad del mineral. En la mayoría de estos procesos industriales el agua se contamina con metales pesados, que, al no degradarse, se acumulan, aumentando su toxicidad. Las aguas que contienen metales se deben tratar antes de su descarga al medio ambiente. La técnica más utilizada para su tratamiento es la precipitación. En esta tesis se propone la tecnología de membranas como un tratamiento alternativo para depurar aguas con metales pesados de la industria siderúrgica y de la minería. Esta tecnología permite recuperar agua de gran pureza que puede ser reutilizada en el proceso, disminuyendo así el consumo de agua fresca y proporcionando concentraciones de metales más bajas que las tecnologías convencionales. En el caso de la industria siderúrgica, el estudio se llevó a cabo con los efluentes acuosos de las líneas de hojalata. La corriente objeto de estudio es el agua de aclarado del baño de cromado y el principal metal presente es el cromo hexavalente. Los experimentos de esta parte se llevaron a cabo in situ a escala piloto en las instalaciones de la empresa siderúrgica ArcelorMittal. Se estudió la influencia de la presión y la concentración y se buscaron las condiciones óptimas de operación. Se probaron dos membranas de nanofiltración (NF90 y MPS-34) y una de ósmosis inversa (BW30). Todas ellas son membranas comerciales. La eficiencia de la separación fue muy elevada para todas las membranas probadas (superior al 90%). La que mejores resultados mostró en términos de flujo y retención fue la NF90. La corriente de alimentación a las membranas tuvo que ser prefiltrada para eliminar las pequeñas partículas sólidas (0.1 micra) que provocaban un ensuciamiento irreversible. Se probaron diferentes membranas de microfiltración y ultrafiltración, siendo estas últimas las que mejores resultados dieron. Asimismo, se estudiaron diferentes estrategias para minimizar el ensuciamiento que sufren las membranas y se determinó el tratamiento de limpieza química óptimo. Dada la alta selectividad de esta tecnología, el permeado obtenido es de gran pureza, siendo incluso de mejor calidad que el agua desmineralizada industrial, lo que conlleva a la obtención de un producto de gran valor añadido. Esto hace posible que esta corriente de agua pueda ser recirculada al proceso como agua fresca. Por otro lado, la corriente de retenido, de muy poco volumen y alta concentración en cromo necesita ser tratada mediante reducción de Cr 6+ a Cr 3+ y precipitación. Se estudiaron ambos procesos para tratar el retenido. Además de la probada viabilidad técnica con la alta fiabilidad y reproducibilidad de los resultados, se observó que es posible la recuperación de agua de gran pureza, la disminución de agua de vertido y de consumo de agua fresca. Se diseñó el proceso de tratamiento de esta agua con la combinación de ultrafiltración, nanofiltración y precipitación a nivel industrial, lo que permitiría recuperar en torno al 80-90 % del agua inicial. La implantación de esta tecnología conllevaría un coste de inversión de 456 k€, y se obtendrían beneficios netos de 26 k€ al año de la producción de agua desmineralizada. Asimismo, en el marco de esta tesis se estudiaron otras aguas industriales provenientes de la minería. Dichas aguas son disoluciones ácidas cuyo principal contaminante es el hierro disuelto. El objetivo para dichas aguas es la separación del ácido del hierro para poder reutilizar el ácido en el proceso. Para ello se probaron diferentes membranas de nanofiltración y una de ultrafiltración a escala de laboratorio. La disolución de ácido sulfúrico se recuperó en el permeado mientras que el hierro permaneció en el retenido. Estos experimentos se llevaron a cabo en el Centro de Tecnología de Separación de la Universidad Tecnológica de Lappeenranta en Finlandia.