Ingeniería Civil Química

La descontaminación de suelos contaminados con estrategias de biorremediación como el uso de biopilas ha aumentado en popularidad como una tecnología prometedora debido a su bajo costo de inversión y su naturaleza ecológica con un impacto reducido en la huella de carbono. Por esto la modelización fenomenológica de este proceso es interesante para futuras aplicaciones. El objetivo de este trabajo es abordar esta oportunidad al desarrollar modelos que integren los principios fundamentales de la biorremediación, considerando la fenomenología presente en suelos contaminados con hidrocarburos y los balances de materia asociados. Un estudio de seis condiciones de biorremediación de suelos costeros contaminados a escala laboratorio fueron la base para proponer seis modelos mecanísticos prediciendo tanto la degradación de los hidrocarburos como la cantidad de biomasa activa responsable de la remoción de contaminantes en los suelos. Estos modelos demostraron coherencia con el comportamiento observado en el proceso de biorremediación y ajustaron coeficientes de correlación ajustados superiores a 0.800 con intervalos de confianza y predicción acotados. De los resultados se concluyó que el modelo más robusto fue aquel basado la oxidación del contaminante con cinética de proliferación microbiana basada en el modelo de Haldane. Esto indicó que el proceso de biorremediación en las biopilas base para la modelización se ve influenciado por la inhibición por sustrato. Los demás modelos también presentaron buen ajuste a lo largo de las distintas técnicas de biorremediación lo que validó la modelización.

En la presente memoria se dan a conocer los resultados del estudio para la optimización de los insumos en la Planta Desaladora Norte de la empresa Aguas de Antofagasta S.A. En primer lugar, se realiza una búsqueda de antecedentes del proceso de desalación, tales como técnicas existentes, etapas del proceso productivo, normas de calidad para el agua potable, fenomenología asociada a los procesos de filtración, entre otroso. Esto con el objetivo de obtener información para comprender y resolver el problema en cuestión. En segundo lugar, se realiza una descripción de las etapas y de las operaciones auxiliares existentes en el proceso (pretratamiento del agua de mar, ósmosis inversa, postratamiento del agua desalada, limpiezas químicas de bastidores, entre otros), con el propósito de identificar las secciones en las cuales se emplean cada uno de los insumos presentes en la planta, clasificados en insumos químicos e insumos físicos (o elementos consumibles). En tercer lugar, se lleva a cabo una revisión y clasificación de la información proporcionada por la empresa para su análisis y discusión. El diagnóstico del consumo de los insumos da a conocer que, del costo mensual de los insumos estimado en 140 millones de pesos, el 21% se compone por insumos de la etapa de pretratamiento, 66% por insumos del postratamiento y 13% de los insumos empleados en las limpiezas químicas. Además, se determina un aumento del 11% en el costo total para los primeros 7 meses del 2022, estimado en 96 millones de pesos, respecto del costo total determinado para los mismos meses en el año anterior. Este aumento se debe, principalmente, al incremento en la capacidad de producción de agua desalada en la planta (75 [L/s] aprox.) a fines de marzo del 2022. No obstante, la falta de estrategias para la dosificación de insumos en la etapa de pretratamiento ante variaciones de los parámetros de entrada del agua de mar, sumado a las limitaciones de diseño en la etapa de remineralización del agua desalada y su relación con el control de los parámetros de salida del agua potable, son factores que también inciden en este resultado. Finalmente, se plantean y evalúan propuestas a corto y largo plazo, las cuales consisten en la implementación de formularios para el control de insumos en la planta, ajustes en la dosificación de insumos químicos en la etapa del pretratamiento, pruebas experimentales y lazos de control para la dosificación de los insumos más críticos en la etapa del postratamiento, los que permitirán cumplir con el objetivo general planteado en este trabajo.

Minera los pelambres procesa una mena proveniente de una mina a rajo abierto, a partir de la cual se concentran minerales sulfurados mediante flotación. Minera Los Pelambres obtiene como productos concentrados de cobre y molibdeno. La separación bulk de los minerales de cobre y molibdeno finaliza con la concentración en columnas de flotación. La flotación columnar presenta ventajas significativas en etapas de enriquecimiento; sin embargo, estas ventajas se reducen ante ineficiencias en la dispersión de gas. Este trabajo presenta una caracterización hidrodinámica y metalúrgica de la flotación columnar de Minera Los Pelambres. Se comparó la respuesta de la Columna FT-110 al operarla con los inyectores originalmente instalados (FLSmidth, caso base) con la respuesta obtenida al operarla con un sistema de inyección alternativo propuesto por SGS. Adicionalmente, se estudió el comportamiento de una Columna adicional (FT-109 ó FT-108, operadas con inyectores FLSmidth) como patrón de referencia. Para estudiar el rendimiento obtenido con cada inyector, se definieron 3 niveles de flujo de aire: flujo bajo de 250 m3/h, flujo medio de 300 m3/h, y flujo alto de 350 m3/h. Además, se mantuvieron constantes los niveles de espuma (en 550 mm) y de flujo de agua de lavado (en 10 m3/h) en la Columna FT-110. Se llevaron a cabo campañas mediciones de tamaño de burbuja junto con muestreos metalúrgicos en las Columnas FT-110 y FT-109 (ó FT-108 según disponibilidad). A las muestras obtenidas se les realizó análisis granulométrico, análisis químicos por clase de tamaño y globales, y análisis mineralógicos a muestras seleccionadas. De los resultados de dispersión del gas, se obtuvieron distribucones de tamaño de burbujas similares al operar la Columna FT-110 con inyectores SGS y FLSmidth, para las mismas condiciones de flujo de aire. Por lo tanto, potenciales diferencias en la eficiencia de la Columna FT-110 no fueron atribuibles a cambios en la dispersión del gas causados por el tipo de inyector. Se observó una tendencia a aumentar el diámetro de burbujas al aumentar la velocidad superficial de gas, lo cual es consistente con lo reportado en la literatura de flotación. En cuanto a los resultados metalúrgicos, la Columna FT-110 presentó mayores recuperaciones, independiente del sistema de inyección. Esto se atribuyó a factores operacionales propios de las Columnas; por ejemplo, a diferencias en los tiempos de residencia. Se observó un aumento en la recuperación de Cu y Mo al aumentar el flujo de aire, independiente del tipo de inyector. Sin embargo, la magnitud del aumento de recuperación dependió también de la mineralogía de alimentación. De un análisis global de los resultados, las recuperaciones de Cu se vieron levemente favorecidas al emplear inyectores SGS, en aproximadamente un 2.7%. En cambio, las recuperaciones de Mo se ven marginalmente favorecidas al utilizar inyectores FLSmidth, en un 0.3%. Dada la configuración del circuito de limpieza de Minera Los Pelambres, la potencial mejora al operar con inyectores SGS se considera marginal. Finalmente, se concluyó que no existen diferencias críticas que beneficien la operación de la Columna FT-110 al utilizar un inyector por sobre el otro.

En la actualidad, Chile produce el 20% de su energía mediante fuentes renovables y se espera un aumento significativo de estos proyectos. Sin embargo, la gestión de un alto porcentaje de energías renovables no convencionales implica una serie de desafíos técnicos y económicos en la matriz energética. Estos desafíos se pueden solucionar al aumentar la flexibilidad del Sistema Eléctrico Nacional, donde los sistemas de almacenamiento son recursos esenciales para equilibrar la generación y demanda de manera segura y económica. El objetivo de este estudio es determinar la factibilidad técnica y económica de un sistema de almacenamiento de electricidad en base a la tecnología del hidrógeno. Al inicio se definen los antecedentes, el estado del arte de los sistemas de almacenamiento y tecnologías de hidrógeno. Luego se valoriza el mercado del almacenamiento a nivel nacional. A continuación, se plantea un proceso para determinar su viabilidad técnica y económica. Por último, se realiza un estudio comparativo entre distintas tecnologías de almacenamiento. Los sistemas de almacenamiento pueden participar en múltiples mercados y los beneficios se valorizan a partir de la venta de energía, capacidad, reservas o por costos evitados. El mercado actual se estima en 378 [MMUSD], donde el arbitraje y capacidad representan el 25% del total, los servicios complementarios el 36%, el soporte red 21% y el suministro a clientes finales 19%. El mercado para el año 2040 se estima en 7.461 [MMUSD]. Para demostrar la viabilidad técnica se propone la integración de la central fotovoltaica Luz del Norte (141 MW) con el sistema de almacenamiento de H2, para satisfacer la demanda de electricidad de la compañía minera Coemin (16,5 MW). Los balances de energía y masa indican que para una demanda de 122 [GWh/año], se necesitan 283 [GWh/año] de la planta fotovoltaica, donde 206 [GWh/año] se utilizan para producir H2 y 76 [GWh/año] para el consumo directo de la empresa minera más servicios del sistema de almacenamiento. Las celdas de combustible suministran 75 [GWh/año] a la empresa minera. La viabilidad económica se estima mediante un análisis de escenarios, la cual define escenarios de inversión optimista (97 MMUSD), probable (336 MMUSD) y pesimista (806 MMUSD). El valor actual neto para un escenario optimista financiado 80% con crédito es de 30 [MMUSD], para un escenario probable -192 [MMUSD] y un escenario pesimista -667 [MMUSD]. Por lo tanto, se recomienda invertir solo si se cumplen todas las condiciones de inversión referidas al escenario optimista. Además, se plantea escenarios alternativos que combinan múltiples servicios, los cuales resultan viables cuando se cumplen las condiciones de inversión en el escenario optimista. En los demás escenarios no se recomienda invertir. El sistema de almacenamiento propuesto mejora su rentabilidad si puede proveer de múltiples servicios, reduce los costos de inversión, aumenta su eficiencia y comercializa subproductos. Una mayor certeza jurídica que perfeccione el marco normativo y facilite la inversión es esencial para el desarrollo de proyectos de almacenamiento de electricidad. El resultado del análisis comparativo entre las diversas tecnologías de almacenamiento para un mismo caso base de arbitraje de energía demuestra que el sistema de almacenamiento de hidrógeno tiene los mayores costos en comparación con las demás tecnologías.

En las últimas décadas el elevado consumo de las reservas acuíferas del planeta por parte del sector doméstico como del industrial, relacionado directamente con el constante crecimiento de la población y de la actividad económica, tiene como consecuencia el aumento de la generación de residuos industriales líquidos (RILes). Para evitar la contaminación, las aguas residuales deben ser depuradas previo a su vertido, a fin de generar el menor impacto posible obedeciendo como mínimo a lo establecido en la normativa vigente. Dentro de los contaminantes que se presentan en los RILes, especialmente de la agroindustria y el sector pecuario, están la materia orgánica, los compuestos nitrogenados y el azufre. El tratamiento convencional para eliminar N es la nitrificación-desnitrificación heterótrofa, que elimina, además del N, materia orgánica. Sin embargo, también es posible aplicar la desnitrificación autótrofa, que elimina N y compuestos de azufre. Para llevar a cabo la desnitrificación heterótrofa se debe asegurar una relación C/N entre 5 y 6 en el efluente a tratar. Una relación C/N<5 requiere una fuente de carbono externa, lo cual es desfavorable desde el punto de vista económico. Por su lado, la desnitrificación autótrofa no requiere de materia orgánica para la oxidación de compuestos de azufre para relaciones S/N sobre 6, por lo tanto, un crecimiento simultáneo de ambos grupos microbianos permitirá la eliminación conjunta de estos tres contaminantes: materia orgánica, nitrógeno y azufre. El presente trabajo consiste en la evaluación y comparación de diferentes tecnologías aplicadas a la desnitrificación, estudiadas en los últimos 5 años en el Laboratorio de Tratamiento de RILes de la Universidad Técnica Federico Santa María y elección de la mejor en términos de eficiencias de remoción, abordadas bajo el marco del proyecto Fondecyt N°1201258. Se analizaron 9 investigaciones de alumnos, entre memorias y tesis, donde se aplicaban las tecnologías UASB híbrido, EGSB, RALEF y UAF. Como objetivo general se tiene la puesta en marcha y operación de los distintos reactores, buscando la remoción de nitrito, nitrato y tiosulfato mediante la desnitrificación autótrofa para los tres primeros casos y para el último se busca la remoción de nitrato, tiosulfato y acetato como materia orgánica a través de la desnitrificación autótrofa-heterótrofa. Las tecnologías RALEF y UAF utilizan zeolita chilena como medio de soporte microbiano, presentando buena adherencia dada su estructura porosa para así retener altas concentraciones de biomasa y lograr altas VCN. Lo anterior se refleja en remociones de nitrato de 90% para una VCN de 1,1 kg N/m3/d para el caso de RALEF y remociones de nitrato de 98% para una VCN de 0,6 kg N/m3/d para el caso del UAF. Sin embargo, para este último el sistema favoreció la desnitrificación heterótrofa por sobre la autótrofa al tener como resultado mayor remoción de acetato que de tiosulfato. El sistema UASB híbrido presenta remociones de nitrato de 83% para una VCN de 0,5 kg N/m3/d, lo cual es bajo en comparación al resto de las investigaciones. De las mejores condiciones analizadas, la tecnología RALEF logra una VCN de 1,1 kg N/m3/d con remociones de nitrito y tiosulfato de 78%, sin embargo, los resultados máximos obtenidos en la tecnología EGSB indican que para una VCN de 1,03 kg N/m3/d se presentan remociones de nitrito y tiosulfato del 96% y 80% respectivamente, lo cual presenta condiciones más favorables para el EGSB. Por lo tanto, la tecnología que presenta un mejor comportamiento según los criterios establecidos es el reactor EGSB, alcanzando una remoción de nitrito y tiosulfato cercanas al 100% para una VCN de 0,73 kg N/m3/d, con un TRH de 0,5 d y razones de C/N de 0,41 y S/N de 1,62. La desnitrificación autótrofa en reactores EGSB se presenta como una alternativa factible para tratamiento de RILes a escala real con concentraciones elevadas de nitrito y tiosulfato, hasta 5 g/L de nitrato y VCN de 1 kg N/m3/d mientras mantengan una baja concentración de materia orgánica en la alimentación. Su relación altura/diámetro de 20:1, permite una mejor estabilización de los microorganismos del reactor para aumentos de VCN más bruscos, además de permitir operar a TRH bajos en comparación a otros equipos estudiados.