TEMA 8. TRATAMIENTO DE EFLUENTES GASEOSOS IV: ELIMINACIÓN DE CONTAMINANTES GASEOSOS POR TRANSFORMACIÓN 8.1. TRANSFORMACIÓN QUÍMICA 8.1.1. ABSORCIÓN CON REACCIÓN 8.1.1.1. POR VÍA HÚMEDA 8.1.1.2. POR VÍA SECA 8.1.2. PROCESOS DE OXIDACIÓN 8.1.2.1. INCINERACIÓN 8.1.2.2. OXIDACIÓN QUÍMICA 8.1.3. PROCESOS DE REDUCCIÓN 8.1.3.1. REDUCCIÓN NO SELECTIVA 8.1.3.2. REDUCCIÓN SELECTIVA 8.2. TRANSFORMACIÓN BIOLÓGICA 8.2.1. BIOFILTROS

OBJETIVOS DEL TEMA Conocer la aplicabilidad de la absorción con reacción, la oxidación, la reducción y la degradación biológica, en el tratamiento de efluentes gaseosos Comprender los fundamentos y conocer las principales características de estas cuatro técnicas de tratamiento Conocer los criterios a tener en cuenta en la selección de la técnica de tratamiento más adecuada para resolver una situación medioambiental en la que se requiera eliminar un contaminante gaseoso determinado de una corriente residual

8.1. TRANSFORMACIÓN QUÍMICA 8.1.1. ABSORCIÓN CON REACCIÓN La absorción de gases es una operación básica en la cual un componente (soluto A) de una mezcla gaseosa se transfiere hacia una fase líquida La cantidad transferida al líquido y la velocidad con que se produce la transferencia viene limitada por los datos de equilibrio En una operación de absorción, la cantidad de soluto A que se puede absorber y la velocidad con que esto se produce se puede aumentar considerablemente si el líquido contiene algún componente B que reaccione con A dando un producto C (mejora la eficacia del proceso)

8.1.1.1. ABSORCIÓN CON REACCIÓN POR VÍA HÚMEDA Similar al proceso de absorción sin reacción con la única diferencia de que el soluto transferido reacciona ELIMINACIÓN SO2 POR ABSORCIÓN CON REACCIÓN EQUIPOS: Cámaras de aspersión, torres de platos o de relleno (más adecuada la cámara de aspersión porque la lechada puede dar problemas de taponamientos en las torres) El gas se lava con una lechada que contiene cal (CaO) y caliza (CaCO3) (y sulfitos y sulfatos) El SO2 reacciona con la lechada y forma sulfitos y sulfatos insolubles Los sólidos se separan continuamente por decantación La lechada se recircula a la torre después de haber añadido nuevas cantidades de cal y caliza Eficacia: 50-90% CONTAMINANTES : Gases ácidos (SO2, HCl, HF) INDUSTRIAS: Centrales térmicas, cementeras

SE CREE QUE OCURREN LAS SIGUIENTES REACCIONES:

8.1.1.2. ABSORCIÓN CON REACCIÓN POR VÍA SECA Con los métodos de absorción por vía húmeda el contaminante se retira del equipo de absorción en forma de solución o lechada y hace falta un tratamiento adicional para obtener un residuo sólido o darle algún valor comercial Como alternativa se ha desarrollado la absorción por vía seca en la que el contaminante se recoge en forma de residuo sólido Se utiliza para eliminar gases ácidos, por contacto con reactivos básicos, el más habitual CaO/Ca(OH)2 CONTAMINANTES : Gases ácidos (SO2, HCl, HF) INDUSTRIAS: Incineradoras, calderas, hornos EXISTEN DOS ALTERNATIVAS:  LOS REACTIVOS SE INTRODUCEN SECOS  LOS REACTIVOS SE INTRODUCEN EN SOLUCIÓN ACUOSA

LOS REACTIVOS SE INTRODUCEN SECOS  Se inyectan en la corriente de gas reactivos alcalinos en forma de polvo (cal o caliza) que reaccionan con el contaminante  Las partículas sólidas conteniendo los productos de reacción (sulfitos y sulfatos de calcio en el caso del SO2) se capturan junto con las cenizas que tiene el gas en un filtro de mangas o precipitador electrostático  Son equipos más pequeños y sencillos, pero requieren mayor gasto de reactivo por contaminante eliminado y generan más residuos LOS REACTIVOS SE INTRODUCEN EN SOLUCIÓN ACUOSA Se emplea una solución absorbente (Ca(OH)2) que se introduce en la cámara atomizada en gotas muy finas  En el caso del SO2, en las gotas se forman sulfatos y sulfitos, al tiempo que el calor del gas evapora el agua obteniéndose un polvo seco (la temperatura del gas debe de ser >>> 100ºC)  El gas suele entrar y salir por un lateral y los sólidos se recogen en el fondo  El gas arrastra partículas finas que deben de ser eliminadas (filtro de mangas o precipitador electrostático)

8.1.2.1. INCINERACIÓN / COMBUSTIÓN AUXILIAR 8.1.2. PROCESOS DE OXIDACIÓN 8.1.2.1. INCINERACIÓN / COMBUSTIÓN AUXILIAR La incineración o combustión auxiliar es un proceso de combustión en el cual se oxidan con oxígeno los compuestos contaminantes a otros que resulten inocuos o menos perjudiciales SE SUELE UTILIZAR PARA ELIMINAR: Gases residuales altamente combustibles (refinerías) Contaminantes altamente olorosos o muy tóxicos presentes en bajas concentraciones (sulfuro de hidrógeno, mercaptanos, compuestos cianurados) Aerosoles orgánicos que causan plumas visibles (tostadores de café, casas de ahumado, horneado de esmaltes) Compuestos orgánicos en general (η>95%)

ES NECESARIO CONOCER DIVERSOS FACTORES PARA PODER DISEÑAR UN PROCESO DE COMBUSTIÓN PARA EL TRATAMIENTO DE UN EFLUENTE GASEOSO:  Composición química, concentración de contaminantes, caudal, temperatura del gas, niveles de emisión permisibles CONOCIENDO ESTA INFORMACIÓN SE PODRÁ ESCOGER LA TÉCNICA MÁS ADECUADA DE INCINERACIÓN: De llama directa Incinerador térmico  Incinerador catalítico VENTAJAS Destrucción de los contaminantes (si no se quieren recuperar) En la mayoría de los casos no se producen residuos sólidos o líquidos Buena adaptación a los cambios de flujo y composición del gas Posibilidad de recuperación del calor residual DESVENTAJAS Coste de inversión y operación potencialmente altos (combustible adicional, catalizadores) La presencia de elemento distintos al C, H y O puede conducir a la formación de contaminantes no deseados (SOx, NOx, HCl, vapores metálicos, intermedios como dioxinas y furanos) Peligro de explosión

DE LLAMA DIRECTA  Los gases residuales se queman directamente en una combustión, con o sin la adición de combustible adicional (p.ej. gas natural)  En algunos casos la composición del gas residual puede hacer innecesaria la adición de aire  Si el gas residual tiene un valor calórico lo suficientemente elevado como para que la combustión se automantenga (> 3000 kJ/m3) tampoco es necesario el combustible auxiliar (precalentando la corriente de gas también es posible con valores calóricos inferiores)  En cualquier caso, este sistema sólo resulta recomendable cuando el poder calórico del gas residual contribuya al menos en el 50% al valor calórico total requerido (cuestiones económicas)  Posible formación de NOx, ya que se pueden alcanzar temperaturas de hasta 1300ºC

LA ANTORCHA ES UNA EJEMPLO DE LA INCINERACIÓN POR LLAMA DIRECTA: Utilizada en plantas petroquímicas y refinerías  Consiste en una cámara de combustión abierta en un extremo y dirigida verticalmente hacia arriba (por lo general dispone de un piloto para asegurar la combustión continua) CONDICIONES DE DISEÑO: Seguridad en el encendido, estabilidad de la llama y combustión óptima Zona de seguridad (prevención de fuegos y daños por calor radiante) Flexibilidad de operación (cantidad y composición de los gases) Mínima cantidad de humos y hollines (la inyección de vapor de agua incrementa la turbulencia y mejora el contacto con el oxígeno reduciendo este problema)

INCINERADOR TÉRMICO Se emplean cuando el gas a tratar no suministra el valor calórico suficiente (típicamente para valores calóricos entre 40 y 750 kJ/m3)  Se trata de elevar la temperatura del gas hasta que se alcance su punto de autoignición  El gas se precalienta y pasa a la zona de combustión que dispone de un quemador que trabaja con combustible adicional  Eficacias 75-99% EL DISEÑO DE LOS INCINERADORES TÉRMICOS SE RIGE POR LAS 3 TES:  Temperatura: debe ser mayor que la T de auto-inflamación de los contaminantes; habitualmente dentro del intervalo 500-800ºC (menos formación de NOx que en las antorchas)  Tiempo de residencia: necesario para un buen contacto entre el gas y el O2; habitualmente entre 0,2 y 0,8 s  Turbulencia: necesaria para conseguir un buen mezclado a fin de asegurar el contacto oxígeno-combustible; se consigue con un buen diseño del quemador y conductos Otros aspecto importantes es asegurar un adecuado suministro de combustible y oxígeno CONTAMINANTES: Hidrocarburos, olores y CO INDUSTRIAS: Tostadores de café, industria metalúrgica, ahumados, pinturas, plásticos, esmaltes, química

INCINERADOR CATALÍTICO Se trata de una alternativa a la conversión térmica VENTAJAS Temperaturas más bajas (350 - 550º C)  menor gasto de combustible y menor formación de NOx Tiempos de residencia más bajos (del orden de centésimas de segundo) DESVENTAJAS Coste catalizador No se pueden tratar gases con partículas (catalizador) El gas puede contener contaminantes (Fe, Pb, Si, P) que bajen la vida del catalizador Fig. 8.4. Incinerador catalítico (publicada en Wikimedia Commons con licencia CC BY-SA 3.0)

PROPIEDADES DEL CATALIZADOR: Alta relación superficie/volumen Estable térmicamente Resistente al envenenamiento  Alta resistencia mecánica  Baja pérdida de carga.  Precio adecuado CATALIZADORES MÁS UTILIZADOS: Metales de transición (Pd o Pt) soportados Vida del catalizador: 3-5 años CONTAMINANTES: Metil etil cetona, xilol, alcoholes, etileno, propileno, CO INDUSTRIAS: De pinturas y esmaltes, asfalto, fabricación de anhídrido ftálico

8.1.2.2. OXIDACIÓN QUÍMICA CONTAMINANTES: COVs, partículas combustibles (no catalítico), CO, H2S, H2, NH3, HCN y otros tóxicos INDUSTRIAS: De fabricación de pinturas y barnices, industria alimentaria, aceites y grasas, refinerías, química, petroquímica PARA LA DESTRUCCIÓN DE SUSTANCIAS OLOROSAS SE PUEDEN UTILIZAR AGENTES OXIDANTES DE TIPO QUÍMICO: Ozono: convierte los compuestos orgánicos en aldehídos, cetonas y ácidos Permanganato: adecuado para compuestos de azufre, aminas, fenoles, estireno Hipoclorito Cloro Dióxido de cloro

8.1.3. PROCESOS DE REDUCCIÓN NOx N2 (catalizador) La reducción se emplea para el control de las emisiones de NOx como complemento a un control en las condiciones de combustión que minimicen su formación Se trata de eliminar los óxidos de nitrógeno de los gases de salida mediante reacciones químicas con sustancias reductoras para obtener N2 y vapor de agua La reducción puede ser selectiva o no; en la reducción no selectiva habrá que consumir primero el exceso de oxígeno → interesa más la reducción selectiva (minimiza la cantidad requerida de reactivo) El proceso pude ser catalítico o no; los sistemas que emplean catalizadores tienen una temperatura de trabajo más baja que los que no utilizan catalizadores pero hay que añadir el coste del catalizador NOx N2 (catalizador)

8.1.3.1. REDUCCIÓN NO SELECTIVA  Es necesario el suministro de reactivo suficiente para reducir también el exceso de oxígeno  Los reactivos típicos son el H2 y el CH4  Se usas catalizadores de metales nobles como el Pd o el Pt y temperaturas ~ 450ºC  Es inviable este tratamiento para gases de combustión que tengan importantes excesos de oxígeno CH4 + 4NO2 ---> 4NO + CO2 + 2H2O CH4 + 4NO ---> 2N2 + CO2 + 2H2O CH4 + 2O2 ---> CO2 + 2H2O

8.1.3.2. REDUCCIÓN SELECTIVA 4NO + 4NH3 + O2 ---> 4N2 + 6H2O NO CATALÍTICA (SNCR) Se inyecta en el gas de salida urea o amoniaco (disolución acuosa o gas) a una temperatura elevada de manera que se reducen preferentemente los NOx  Temperatura: 800-1000º C (a T más baja se emite NH3 y a T más alta se oxida a NOx)  Eficacia: 20-80% (aumenta con la relación NH3/NOx, pero también el riesgo de escapes de amoniaco)  Se puede emitir a la atmósfera NH3 o N2O 4NO + 4NH3 + O2 ---> 4N2 + 6H2O 2NO2 + 4NH3 + O2 ---> 3N2 + 6H2O

CATALÍTICA (SCR) CATALIZADORES: metales como el platino (envenenamiento por S) AGENTES REDUCTORES: CO, NH3, H2, H2S  Se pueden producir emisiones de CO o NH3 Temperatura de trabajo: 200-400º C (con amoniaco a T más baja se forma nitrato amónico)  Eficacia: 75-90% INDUSTRIAS:  Centrales térmicas  Incineradoras  Industria del vidrio  Cementeras  Plantas de ácido nítrico  En general todas aquellas industrias que cuenten con algún sistema de combustión

8.2. TRANSFORMACIÓN BIOLÓGICA 8.2.1. BIOFILTROS Consiste en la eliminación de contaminantes por acción de microorganismos, transformando los COVs en CO2 y H2O Los biofiltros están constituídos por un lecho irrigado (tierra, compost) donde se alojan los microorganismos, a través del cual se hace pasar el gas El gas suele saturarse previamente de humedad y las temperaturas se mantienen por debajo de los 40ºC A veces puede ser necesario aportar nutrientes Son sistemas adecuados para concentraciones bajas de COVs (<100-500 ppm) Existen ciertos COVs que no pueden se eliminados por este sistema (tóxicos o refractarios) PARÁMETROS TÍPICOS:  Altura del lecho ~ 1 m  vgas 0,001-0,2 m/s  TRH 15-60 s

También se pueden utilizar en vez de lechos de tierra o compost torres con rellenos sintéticos en cuyo caso se suele denominar biofiltro percolador También se pueden emplear sistemas con biomasa en suspensión habitualmente empleados para el tratamiento de aguas residuales: primero se realiza la absorción y a continuación la degradación biológica Se aplica sobre todo en la eliminación de olores debidos a compuestos orgánicos INDUSTRIAS:  Depuradoras  Compostaje  Tratamiento de residuos  Mataderos, química  Alimentaria

Fig. 8.6. Biofiltro de arena (publicada en Wikimedia Commons con licencia CC BY-SA 3.0)