agua sucia

Maddox Catalyst: Tratamiento de alto rendimiento para agua contaminada

Introducción al catalizador Maddox


Maddox es un catalizador
producido a partir de mineral de manganeso puro que ha sido tratado en un horno especial utilizando técnicas patentadas. Se utiliza como catalizador heterogéneo para la eliminación y/o reducción en línea de ciertos contaminantes del agua. Estos contaminantes incluyen hierro, manganeso, aluminio, cloruros y varios gases disueltos y ácidos. Maddox puede actuar como un óxido metálico de transición que actúa como catalizador.

Cómo funciona

El concepto central que rodea el catalizador Maddox basado en lecho para la
purificación de agua
es que el hierro solubilizado y otros iones metálicos y los gases disueltos se oxidan por el catalizador Maddox altamente oxidante, lo que hace que algunos se precipiten o se descomponen al entrar en contacto.

A continuación, los precipitados se filtran mediante un filtro adecuado, que se elimina del medio de filtro o de los medios mediante el backwashing.

En el caso de la eliminación de hierro por el catalizador Maddox (manganeso), las ecuaciones iónicas son las siguientes.

2Fe2+ + MnO2 + 2H2O ⇌ 2Fe3+ + Mn2+ + 4OH-
Mn2+ + MnO2 + 2H2O ⇌ 2Mn3+ + 4OH-

El manganeso en MnO2 está en el estado de oxidación +4. Se puede ver que el ión de hierro a menudo soluble en agua (ii) es oxidado al hierro(iii) por el óxido de manganeso del catalizador Maddox; los compuestos de hierro iii) suelen ser menos solubles en agua que sus homólogos de hierro ii). Los compuestos/complejos de manganeso(ii) tienen una tendencia a ser solubles en agua, sin embargo, una mayor oxidación en la segunda ecuación al ión manganeso(iii) hace que la solubilidad sea más pobre. El equilibrio entre solubilidad e insolubilidad es crucial en los ajustes de purificación de agua, con menos compuestos metálicos solubilizados pasando por el sistema cuanto mejor. No obstante, algunas sales de hierro y manganeso semi o mal solubles producidas durante la oxidación deberán eliminarse aguas abajo mediante una filtración de 1 a 5 μm.

Foto destacada

pH

pH es, en términos generales, la medida de cuán ácida o básica es una sustancia. Los valores bajos de pH se experimentan en entornos ácidos, mientras que los valores de pH más altos se encuentran cuando el medio es básico/alcalino. Una de las habilidades más profundas del pH es modular la solubilidad de varias sustancias.

La capacidad de Maddox para operar a través de una amplia gama de valores de pH es el resultado de la capacidad del medio para eliminar en primer lugar los gases ácidos disueltos de agua de pH baja, causando así que los metales disueltos o algunos de ellos (en el caso de Fe, Mn y Al) se precipiten naturalmente en su rango normal de precipitación de pH - este proceso de precipitación se ve mejorado por la capacidad de oxidación de la propia Maddox, lo que en conjunto resulta en tasas de eliminación / reducción muy altas.

En el caso del agua de alto pH, es decir, en ausencia de gases ácidos disueltos presentes, la porción disuelta de la sustancia es oxidada sólo por el Maddox, a un menor o mayor grado de eficiencia, dependiendo de la calidad general del agua.

Como no se pueden aplicar reglas duras y rápidas en muchos casos, o en ausencia de una base de datos creíble o un análisis detallado, se recomienda realizar trabajos de prueba piloto de laboratorio o a pequeña escala con el fin de determinar parámetros de funcionamiento más precisos y eficiencia del proceso.

agua limpia corriendo sobre una cascada

Aspectos operativos

La configuración básica para una cama Maddox es una entrada y salida de agua, la cama Maddox en sí, filtros de pre y/o post tratamiento y algunos medios de lavado de espalda para eliminar los contaminantes recuperados.

Los procesos catalíticos del lecho maddox se pueden ejecutar a velocidades continuas de 8-12 a metros cúbicos por hora por metro cuadrado de catalizador, dependiendo de las características particulares del agua cruda. El retrolavado requiere un caudal sustancialmente mayor de entre 30 y 50 m3h-1m-2.

La alta densidad a granel (1.8) de Maddox permite que el medio se utilice en un patrón de flujo superior – esto hace que las partículas Maddox fluidicen parcialmente qué proceso optimiza más disponible de la superficie activa – mejora aún más la liberación de partículas precipitadas del medio, evitando así el ensuciamiento y permitiendo que el Maddox no funcione como un filtro de partículas suspendidas.

regeneración

La regeneración del lecho catalizador Maddox es necesaria después de un cierto número de ciclos , es decir, después de que se haya agotado el poder oxidante de la cama Maddox. Crucialmente, este proceso debe completarse antes del agotamiento completo del lecho catalizador Maddox. Este proceso fácil se realiza mediante la aplicación de permanganato de potasio (KMnO4,1,75 a 3,5% solución) o hipoclorito de calcio - ambos materiales son oxidantes fuertes y devuelven el catalizador de manganeso 'gastado' de nuevo al manganeso de estado de alta oxidación para ser utilizado de nuevo. Los tratamientos de regeneración comunes requieren al menos una hora de exposición a los oxidantes regenerativos, después de lo cual se utiliza un riguroso proceso de lavado de espalda para eliminar el exceso de oxidante y otros materiales indeseables.

La regeneración continua se ha desarrollado recientemente y utiliza lámparas ultravioletas de baja y media intensidad aplicadas sobre la cama. Esto genera oxígeno (ca. 3 g por hora) y ozono (ca. 2 g por hora) como oxidantes in situ,que proporcionan un nivel bajo pero regeneración constante del lecho catalizador Maddox. Los niveles de eficiencia de este tratamiento in situ dependen del caudal de agua, el volumen y la potencia de la lámpara.

Propiedades físicas del catalyst y el lecho catalizador

Las camas Maddox se despliegan normalmente en el rango de profundidad de 300 a 800 mm, dependiendo de la capacidad de flujo de agua diseñada y la calidad del agua cruda. Crucial es el hecho de que los medios maddox tienen niveles adecuados de ropa de cama bajo donde sea necesario.

Como es un catalizador heterogéneo, el tamaño del grano Maddox importa ya que el tamaño del grano/partícula es un proxy para la superficie. La superficie es uno de los aspectos más cruciales de un catalizador heterogéneo. Los tamaños efectivos de grano del catalizador Maddox oscilan entre 0,25 y 3,3 mm - es decir, un tamaño fácilmente viable - con tamaños de malla correspondientes que van de 0,3 a 3 mm. Cuando se utilizan en la escala de varios kilogramos, estos tamaños de partículas son proporcionales a grandes áreas superficiales.

El desgaste es una preocupación menor con las camas catalizadoras Maddox, con pérdidas en la región de 3 a 5% por año, procesos viables pueden operar durante largos períodos de tiempo antes de que se requiera la sustitución total de los medios de comunicación. Tal longevidad es otra cuerda en el arco de las camas Maddox como un sistema robusto y de alto rendimiento.

planta de extracción de disolventes

Pretratamiento de material líquido aguas arriba

Pre-oxidación de líquidos aguas arriba como una estrategia común empleada por los ingenieros de procesos mediante la cual la oxidación de las aguas crudas entrantes aguas arriba se lleva a cabo con gas cloro, hipoclorito de sodio o calcio; o más directamente con ozono, oxígeno o potasio permanganato. En cierta medida, la preoxioxixión puede eliminar contaminantes que serían eliminados por Maddox, pero el uso de estos pre-tratamientos no es tan fácil un proceso como permitir que el agua contaminada pase a través de la cama Maddox como se diseñó.

Por lo tanto, se puede decir que el uso de catalizador Maddox niega la necesidad de tratamiento del suministro de agua con anticipación utilizando hipoclorito de sodio o potasio, o cualquiera de los oxidantes de pretratamiento aguas arriba antes mencionados.

La turbidez (la amplia medida de los sólidos suspendidos en un líquido, la alta turbidez significa que hay altos niveles de materia suspendida, por lo tanto menos líquido puro/limpio) es una consideración importante en cualquier proceso que se ocupa de la precipitación y la filtración.

Las sales metálicas se oxidarán en sólidos suspendidos mediante un proceso de pretratamiento, que a su vez requeriría un proceso de filtración antes de la cama Maddox para filtrar los sólidos suspendidos generados para que se reduzca la turbidez, permitiendo una función óptima del catalizador. Los altos niveles de turbidez requerirían un lavado de espalda frecuente, por lo tanto, el tamaño del filtro y/o los filtros secuenciales son factores importantes a tener en cuenta.

El efecto del cloro

Muchos catalizadores de óxido de manganeso son susceptibles a la intoxicación por la presencia de niveles elevados de cloro, lo que causa niveles de actividad más bajos del catalizador(1). La calcinación que se produce durante la cocción/calentamiento inicial en la fabricación de catalizadores Maddox que probablemente hace que el catalizador tenga una superficie alta conduce a un catalizador generalmente más activo, con más "sitios activos" y por lo tanto requeriría niveles altamente elevados de cloro presente para envenenar lo suficiente.

planta de medios de filtración dual

Aplicaciones específicas en hierro, otros metales (y compuestos relacionados) eliminación

Debido al despliegue de catalizador Maddox en una estructura de "lecho", se utiliza más comúnmente para la eliminación de varios contaminantes de líquidos, como sulfuro de hidrógeno, hierro y una variedad de sales metálicas. Reducir a niveles de traza o la eliminación completa de contaminantes puede hacer la diferencia entre un suministro de agua viable y uno peligroso.

Eliminación de hierro

Una de las principales aplicaciones de los catalizadores de lecho Maddox es para la eliminación de compuestos de hierro del agua. La ingestión de hierro en niveles que cumplen o superan los 60 mg por kilogramo de peso corporal se asocia con toxicidad, especialmente en niños(2). Mientras que la toxicidad es una función de la dosis y el revestimiento gastrointestinal del individuo, hierro soluble (ii) compuestos en el agua deben evitarse en la medida de lo posible. Crucial para la utilidad de Maddox es su capacidad para eliminar hierro a través de una amplia gama de valores de pH, dependiendo de la calidad general del agua. Los compuestos de hierro encuentran su camino en las fuentes de agua de muchas maneras, incluyendo, pero no limitado a, la lixiviación de las instalaciones de residuos y la mayor presencia en los suelos locales.

polvo de óxido de hierro rojo en una olla

Eliminación de sulfuro

El sulfuro de hidrógeno se describe como un veneno de amplio espectro y es altamente soluble en agua. Hay varios métodos para su eliminación del agua, incluyendo cloración directa (con gas cloro), adición de nitrato a fuentes de agua estropeadas o por aireación simple (oxígeno burbujeante a través del agua contaminada). Tales métodos son eficaces en ciertas concentraciones, pero el catalizador Maddox es igual de eficaz. Al utilizar el oxígeno en el catalizador - no el manganeso, c.f. eliminación de metales - el sulfuro se oxida para sulfato, que es insoluble, menos tóxico y se puede eliminar fácilmente por filtración. El pH ligeramente aumentado que se ofrece en las ecuaciones iónicas hierro-manganeso mencionadas anteriormente, si el hierro está presente, mejora la eficiencia del proceso de desulfuración(3). El sulfuro de hidrógeno puede ocurrir en cursos de agua cerca de instalaciones de tratamiento de aguas residuales, vertederos y áreas donde los residuos agrícolas están mal gestionados.

Eliminación de manganeso

Cabe señalar que los compuestos de manganeso de molécula pequeña formados durante la oxidación también necesitan ser eliminados, no sea que se arriesgue a causar envenenamiento de manganeso más abajo (4). Se debe utilizar un filtro multimedia adecuado similar a los utilizados para eliminar el hierro insoluble/otros compuestos metálicos/sulfuros/sal, o su equivalente.

manganeso umber en polvo en una olla

Consultoría de óxido de manganeso

  • Maddox catalyst es una especie de óxido de manganeso que se forma a partir del calentamiento patentado del mineral de manganeso, ofreciendo un catalizador de área superficial alta que tiene muchos usos
  • Uno de los principales usos para el catalizador Maddox está en forma de cama para la purificación y descontaminación del agua
  • Se comporta como un catalizador heterogéneo, eliminando contaminantes como hierro, manganeso y sulfuro de hidrógeno por un mecanismo de oxidación que es seguido por la posterior filtración fina
  • Operando a lo largo de una amplia temperatura, pH y rango de nivel de contaminación, el sistema de catálisis de lecho Maddox es un catalizador resistente, robusto y de larga duración que se regenera fácilmente (la regeneración incluso se puede lograr in situ)
Maddox

Referencias

1 W. Xu et al., Catalizadores, 2019, 9, 726

2 T. Madiwale y E. Liebelt, Curr. Opin. Pediatría., 2006, 18, 174

3 M. L. McFarland y T. L. Provin, Sulfuro de hidrógeno en agua potable,Universidad de Texas A&M, College Station, Texas, Estados Unidos, 1999

4 J. E. Tobiason et al., Curr. encuesta. representante., 2016, 2, 168