Polielectrolitos como auxiliares de coagulacin





Antes de considerar las propiedades y usos de los polielectrolitos, definiremos los que se entiende por polielectrolitos. Originalmente este trmino fue utilizado por Raymond M. Fuoss para definir polmeros orgnicos que podran ser transformados en molculas de grandes cadenas con regiones ionizadas a lo largo de su cadena.

El trmino polmero es dado a una cadena de subunidades que se unen para formar una gran molcula. Algunos polmeros contienen subunidades iguales a lo largo de toda la molcula, en este caso son llamados homopolmeros. Otros con subunidades diferentes en la misma molcula son llamados copolmeros.

Estas subunidades son llamadas monmeros, dado que tanto el nmero como el tipo de monmeros pueden variar grandemente en la formacin de una molcula, podr ser producida una gran variedad de tipos polmeros. Las cadenas de polmeros pueden ser lineales o ramificadas, pudiendo inclusive producir grupos ionizables. En este caso, debido a sus caractersticas como polmeros y como electrolitos, estos productos son llamados polielectrolitos.

Su uso generalizado en el tratamiento de agua es relativamente reciente, el proceso ya era bastante antiguo, pero fue emprico durante mucho tiempo. Algunos de estos compuestos han demostrado ser excelentes auxiliares en la floculacin, siendo incluso llamados polmeros floculantes.

Antes de la introduccin de los polmeros naturales y sintticos no haba competidor serio para la slice activada, como auxiliar de floculacin.

Algunos compuestos orgnicos naturales fueron utilizados como auxiliares de coagulacin tales como el almidn y sus derivados, compuestos de celulosa, gomas de polisacridos y materiales proteicos. Actualmente es bastante claro porque muchos de estos compuestos naturales son usados como auxiliares de floculacin pues no son ms que polielectrolitos naturales.

La ventaja de los polielectrolitos sintticos sobre los naturales es que su molcula puede ser hecha sobre medida para atender requisitos especficos. Esto, de hecho, ha sido observado usndose varios monmeros o unidades de diferentes grupos inicos, polimerizndose estos materiales y producindose una gran variedad de compuestos.

Todos los polielectrolitos sintticos pueden ser clasificados en base al tipo de carga de la cadena del polmero. Por lo tanto, los polmeros que tienen cargas positivas son llamados catinicos, los compuestos que no poseen carga alguna son llamados polielectrolitos no inicos y los polmeros que contienen carga negativa son llamados aninicos.

Debido a la gran variedad de monmeros disponibles como materia prima y a la adicional variedad que puede ser obtenida variando el peso molecular, carga, densidad y grupos ionizables, no es de sorprender la gran cantidad de polielectrolitos disponibles para el tratamiento de agua.

El mayor beneficio que un polielectrolito puede proporcionar es el aumento del tamao y de la densidad del floc formado.

En general, los poliectrolitos aninicos se comportan simplemente como auxiliares de floculacin, los cuales modifican las caractersticas fsicas del floc producido por los coagulantes de hierro y/o aluminio. Estos han demostrado que la eficiencia de estos polielectrolitos es casi independiente del pH, alcalinidad, dureza y turbidez.

Los polielectrolitos catinicos pueden ser utilizados inclusive como coagulantes primarios eliminado el uso de los coagulantes de aluminio o de hierro. La remocin del barro es prcticamente total. Los dosajes ptimos de los catinicos son siempre mayores que la de los aninicos, as como de los no inicos.

Los polielectrolitos no inicos son utilizados solamente como auxiliares de floculacin y su aplicacin es eficiente despus de la adicin de los coagulantes de aluminio o de hierro.

La utilizacin de los auxiliares de coagulacin tiene gran vala cuando la floculacin se torna difcil debido a la variacin de la calidad del agua o por causa de las variaciones de temperaturas.

Tal como la slice activada, la adecuada adicin de polielectrolitos vara con el tipo de agua. Generalmente el polmero es adicionado como solucin diluida con un coagulante de aluminio o hierro.

Es necesario una mezcla rpida para obtener una rpida dispersin del coagulante y del polmero. En algunos casos puede ser benfico el uso de dos tipos de polielectrolitos, uno aninicos y otro catinico, cada uno deber ser dosificado separadamente y sus dosajes sern controlados por medidas de potencial Zeta.

En general los polmeros catinicos funcionan bien cuando son aplicados despus del punto de aplicacin del coagulante principal, mediante una mezcla rpida para dispersar el polmero en el agua bruta, 30 a 60 segundos de mezcla son suficientes. Hubo casos en que se obtuvo resultado positivo, sin mezcla rpida, aunque nos son comunes.


Teora y mecanismos de los polielectrolitos como auxiliares de floculacin.

Antes de introducirnos a la teora del mecanismo de los polielectrolitos como coagulantes de coloides, resumiremos las propiedades de los coloides propiamente dichos.

Es bastante conocido que la mayora de los coloides naturales estn negativamente cargados y que esta carga es la principal responsable por su estabilidad.

Las partculas coloidales son tan pequeas que no se sedimentan apreciablemente por la accin de la gravedad. Se ha estimado que partculas coloidales demoran 21 aos para decantar una distancia de 10 cm.
Obviamente, si varias partculas coloidales se aglomeraran formando una de tamao mayor, la velocidad de sedimentacin aumentar.

Los coloides contienen grupos ionizables en su superficie o suficientemente prximos a su superficie para ocasionar la difusin de los iones de signo contrario en el medio de la masa lquida, dejando por lo tanto una carga residual en la superficie de la partcula. Dado que la mayora de estos grupos ionizados estn cargados negativamente, los coloides tambin estn negativamente cargados.

Las partculas coloidales pueden ser aglomeradas fcilmente mediante una carga lo suficientemente grande que permita vencer la repulsin entre ellas para que las mismas lleguen a estar unas de otras lo suficientemente cerca y permitir que las fuerzas de atraccin de Van der Vaals las mantengan unidas.

Est comprobado que la simple aplicacin de energa al agua para conseguir tal intento no es suficiente, de all la necesidad de otros medios para conseguir la aglomeracin de las partculas.

Hay bsicamente dos teoras que se aplican para la explicacin del mecanismo de la coagulacin de coloides; la teora qumica que se basa en la interaccin puramente qumicas y la teora fsica, basada en interacciones fsicas.

La teora qumica visualiza los coloides como partculas con estructuras qumicamente definidas que reaccionan especficamente con los coagulantes formando complejos insolubles que se precipitan.

La teora fsica se basa en la reduccin efectiva de las cargas elctricas de las partculas, permitiendo que las mismas se aproximen facilitando el choque entre ellas formando finalmente una partcula de mayores dimensiones, capaz de sedimentar en tiempos cortos.

Un sistema coloidal no tiene un saldo de cargas elctricas. Las cargas elctricas de los coloides estn balanceadas por un nmero igual de iones de cargas contrarias en la solucin, En la interfase entre solucin y particular coloidal existe un potencial elctrico.

Los iones contrarios son atrados por la interfase proporcionalmente a la magnitud de la carga. La distribucin de los iones contrarios en la solucin es funcin del nmero de iones opuestos que est disponibles.

La carga en estas partculas no puede ser medida directamente pues parte de la carga de iones contrarios se mueven junto con la partcula en el medio de la masa lquida, por energa trmica, diferencia de potencial o cualquier otro efecto existente en el sistema.

La medida indirecta de estas cargas se conoce como Potencial Zeta.

Este es el potencial que puede ser medido a travs del potencial en la superficie de la partcula. La distribucin de este potencial es influenciada por la concentracin de iones contrarios en la solucin.

De esto se puede decir que iones polivalentes son ms eficientes que los iones monovalentes debido a la creacin de una mayor densidad de carga elctrica prxima a la superficie cargada de la partcula coloidal. Schulze y Hardy hicieron una interesante observacin que se tom una regla que relaciona poder de coagulacin con cargas inicas.

Un ion divalente es 50 a 70 veces ms eficiente en la neutralizacin de la partcula coloidal que un ion monovalente y un ion trivalente es 600 a 700 veces ms eficiente que un monovalente.

A fin de comprender bien la accin de los polielectrolitos sobre los coloides, es necesario combinar las dos teoras, fsica y qumica y formar la teora ms completa de la desestabilizacin de las partculas coloidales.

En efecto, ha sido verificado que un nico mecanismo de neutralizacin de las cargas ha sido ineficaz en explicar la coagulacin de coloides en agua. Varias excepciones ocurren cuando se intenta explicar el fenmeno desde un nico punto de vista.

Por ejemplo, ha sido frecuente asignar la mayor eficiencia de coagulacin de iones Fe +++ o Al +++ en aguas con potencial Zeta prximos, muy raramente iguales a cero. Cmo explicar en base al simple modelo electrosttico la desestabilizacin de coloides cargados negativamente a travs de adicin de solucin de polielectrolitos aninicos?

Actualmente la mejor explicacin del mecanismo de coagulacin por polielectrolitos es basada en la absorcin del polmero en la superficie de la partcula coloidales y el polielectrolito.

Estos dos mecanismos no son fciles de ser diferenciados en el proceso, ya que los dos factores fsico y qumico actan en forma conjunta, se interaccionan. La atraccin de las partculas del polmero a la superficie de los coloides puede ser vista predominantemente como propiedad qumica o una simple propiedad fsica.

Los polielectrolitos orgnicos por su compleja naturaleza tienden a ser relativamente insoluble en agua debido a sus largas cadenas orgnicas que son hidrfobas, aunque no en forma completa ya que posee zonas ionizables o zonas parcialmente cargadas dentro del polmero. Estas zonas de la molcula son atradas por la fase acuosa, generando un desenrollado de la molcula y un enganche en las partculas coloidales.

Despus de la absorcin inicial del polmero, la cadena puede adems enrollarse alrededor del coloide. Esto ocurre cuando la cadena del polmero es bastante comprimida y no alcanza a extenderse en el seno de la solucin.

Cuando existieren altas concentraciones de polielectrolitos, los coloides en estas circunstancias podrn restablecer su estabilidad inicial.

Las partes de las cadenas extendidas podrn interaccionar con otras cadenas u otras partculas. Si la partcula captada es de carga opuesta a la de la cadena, habr neutralizacin de cargas.

Esto permitir a las partculas parcialmente desestabilizadas o neutralizadas aproximarse lo suficiente para que los centros de atraccin de Van der Vaals, entre partculas coloidales o entre coloide y polmero o entre polmeros, pueda unirlos.
Estas interacciones resultan en la aglomeracin de las partculas y en la desestabilizacin de los coloides y su consecuente sedimentacin.

De esta manera la desestabilizacin de los coloides negativamente cargados con polielectrolitos aninicos y no inicos se puede explicar de manera coherente.

Cuando la energa de absorcin excede la energa de repulsin el fenmeno de absorcin ser predominante.