Eliminación de selenio de efluentes industriales

Manuel Valles Cotano »

Si bien el selenio es un micronutriente esencial para todas las formas de vida conocidas, si se superan los límites máximos recomendados puede convertirse en un compuesto potencialmente tóxico. No existen evidencias de efectos nocivos en el ser humano pero si se han confirmado casos de deformidades físicas y fallos del sistema reproductivo en especies acuáticas expuestas a bajos niveles de concentración de selenio en el agua (< 10 ppb).

El selenio es un elemento químico no metal perteneciente al grupo de los anfígenos (grupo 16) también llamado familia del oxígeno:

Analizando su configuración electrónica, podremos entender los distintos estados de oxidación en lo que se puede presentar el selenio. El selenio tiene 6 electrones de valencia, por lo que necesitará dos electrones para completar el octeto en la capa de mayor nivel de energía. Por tanto, nos lo podremos encontrar reducido a Se^2–, combinado con elementos de baja electronegatividad, o bien puede perder los electrones de su capa de valencia ante elementos más electronegativos como el oxígeno, siendo +4 y +6 los otros posibles estados de oxidación.

El selenio se encuentra muy distribuido en la corteza terrestre, hallándose en rocas y suelos en concentraciones desde 0,1 a 2 ppm, siendo el carbón una de las fuentes más importantes de selenio donde lo podremos encontrar en concentraciones de 0,5 a 12 ppm. Habitualmente se obtiene como subproducto de la refinación del cobre. Por tanto, estará presente en industrias donde el cobre o el carbón sean protagonistas (extracciones mineras, refinerías de cobre, centrales térmicas, etc.). Será por tanto en estas actividades, donde encontraremos selenio disuelto en efluentes producidos bien por las aguas pluviales, drenajes de interior de mina, o bien por las propias actividades o procesos industriales.

El selenio en su forma más elemental es insoluble en agua, y por tanto es susceptible de eliminarse de los efluentes usando procesos fisicoquímicos tradicionales de separación sólido-líquido. Sin embargo, el selenio en su estado de oxidación +6 (selenato) es muy soluble y por tanto requiere de otras tecnologías de eliminación.

La eliminación del selenato puede realizarse por vía biológica reduciéndolo a su forma más elemental en condiciones de anoxia, ya que el oxígeno y el nitrato son aceptores de electrones más favorables que las formas oxidadas del selenio.

Una vez el selenio se encuentra en su estado elemental, puede ser eliminado del efluente mediante precipitación físco-química.

Ósmosis inversa

Otro método de eliminación del selenato es la tecnología de ósmosis inversa, a través de la cual podemos concentrar tanto especies iónicas como moléculas en una corriente a la que llamaremos rechazo, y dejar libre de dichos contaminantes la corriente a la que llamaremos permeado.

El proceso de ósmosis es un método natural de difusión que se produce cuando existen dos soluciones o medios de distintas concentraciones separadas por una membrana semipermeable. A través de dicha membrana, el agua pasará del fluido menos concentrado (medio hipotónico), hasta el de mayor concentración (medio hipertónico) hasta equilibrar las concentraciones de solutos (medio isotónico).

Aplicando el proceso de ósmosis al tratamiento de agua, necesitaremos el fenómeno contrario, es decir, provocar la difusión de agua desde la solución más concentrada hasta la solución o corriente menos concentrada. Para ello, deberemos aplicar una presión superior en la corriente a depurar que facilite la difusión de agua hacia la solución de baja concentración de especies iónicas y moléculas cuyo tamaño sea superior al del poro de la membrana.

Si bien el método es natural, es necesario poder escalarlo a nivel industrial para tratar las corrientes concentradas con los distintos contaminantes y devolverlas al cauce correspondiente libres de dichos contaminantes. Para ello, y atendiendo a un estudio de los distintos tipos de membranas existentes en el mercado, elegiremos membranas semipermeables sintéticas de poliamida, arrolladas en espiral sobre un colector concéntrico donde recogeremos la corriente de permeado. Este arrollamiento permitirá aumentar la superficie de membrana en menor espacio de implantación (figura 4). Las membranas de arrollamiento en espiral utilizadas a nivel industrial para tratamiento de aguas, trabajan con un flujo de agua tangencial, lo que permite el barrido de sales y moléculas, evitando que queden adheridas sobre la superficie de la membrana afectando por tanto a su permeabilidad (figura 5).

Adicionalmente se requerirá un grupo de bombeo que facilite la difusión del agua en contra del gradiente de concentración superando la presión osmótica de la solución concentrada. El diseño o esquema básico del proceso sería el siguiente:

Conviene destacar que el proceso de ósmosis no elimina el selenio. Lo que hace es concentrarlo en una corriente más pequeña que pueda ser evaporada de manera natural o forzada, o bien reutilizada en otros usos industriales. Este proceso trabaja a elevadas tasas de concentración (75-80%), si bien la combinación de distintas etapas permitirá obtener rendimientos superiores. La máxima tasa de concentración estará sujeta a los productos de solubilidad de las distintas sales que puedan formarse o precipitar sobre la superficie de las membranas. En este sentido, el pretratamiento, o acondicionamiento del agua previo a su tratamiento por ósmosis, cobra un importante sentido, ya que podemos provocar la precipitación de sales mediante tratamientos fisicoquímicos previos para bajar los productos de solubilidad, trabajar sobre el pH en favor de la solubilidad de las distintas sales y añadir inhibidores de incrustación y dispersantes.

Sin embargo, la tecnología de eliminación biológica sí elimina el selenio del efluente reduciendo el selenato hasta su estado elemental para su posterior separación sólido-líquido. Por tanto, la elección de uno u otro método dependerá de las siguientes variables:

• Límites de vertido
• Caudales a tratar
• Concentración de selenio en las distintas corrientes

Cuanto más restrictivos sean los límites de vertido y mayor sea el caudal a tratar, más sentido tendrá la tecnología de ósmosis inversa. Lo mismo sucederá con los niveles de concentración de selenio en la corriente a tratar. No obstante, convendrá tener en cuenta la necesidad de evaporar o reutilizar la corriente de concentrado en el caso de utilizar la tecnología de ósmosis inversa, frente a la eliminación biológica que permite una separación del selenio del agua en forma de fango, para su posterior gestión como residuo.

Si bien el presente artículo está enfocado en la eliminación de selenio, en función de las características de la explotación industrial, generalmente nos encontraremos otros contaminantes, generalmente metálicos, en dichos efluentes que también serán eliminados de igual modo mediante la tecnología de ósmosis. A continuación se caracteriza una corriente en la cual tenemos presencia tanto de selenio como de arsénico disuelto en dicho efluente.

El caudal de entrada corresponde con el efluente a tratar, mientras que el caudal de permeado representa la corriente depurada mediante tecnología de ósmosis inversa. El rechazo de sólidos disueltos en la corriente de entrada es del 94-95 %, ya que trabajamos a una alta tasa de concentración. Sin embargo obtenemos rendimientos del 99 % en lo que a eliminación de arsénico y selenio se refiere.