UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAFACULTAD DE INGENIERÍASANEAMIENTO AMBIENTAL - GRUPO 3

PRESENTAN:

CARLOS ALBERTO ROJAS OVALLECARLOS SEBASTIAN MEDINA SILVADIEGO ALFONSO PIRAJÁN HERNÁNDEZJUAN JESUS TARAPUES CHASOYLEONARDO ALBORNOZ VILLARAGA

EJERCICIOS DE PROPIEDADES QUIMICAS DE LOS RESIDUOS SOLIDOS

1. Hallar la fórmula química con y sin humedad de las dos pilas de residuos cuyas composiciones de encuentran enunciadas en el archivo Excel (la primera de ellas trabajada en clase).

FÓRMULA QUÍMICA SIN HUMEDAD

Para la Pila 1

CALCULO DE LA FORMULA QUIMICA DE LOS RSU

COMPONENTE PESO H COMPOSICION (BASE SECA)

  (%) % C (%) H (%) O (%) N (%) S (%)ORGANICOS              RESIDUOS COMIDA 48 70 48 6.4 37.6 2.6 0.4PAPEL Y CARTON 20 5.5 43.7 6 44.3 0.3 0.2PLASTICOS 6 2 60 7.2 22.8    TEXTILES 4 10 55 6.6 31.2 4.6 0.15GOMA 0.5 2 78 10   2  CUERO 0.5 10 60 8 11.6 10 0.4MADERA 4 20 49.5 6 42.7 0.2 0.1               INORGANICOS              VIDRIO 7 2          LATAS DE HOJALATA y AL 2 3          METALES 3 3          SUCIEDAD - CENIZAS 5 8 26.3 3 2 0.5 0.2

Tabla 1. Pila #1. Fuente: Ricardo Vargas Laverde

A partir de los datos dados en la tabla 1, se calcula primero el peso seco en gramos de cada elemento de la siguiente forma:

Peso secode elemento=%Peso seco∗(100 %−%Humedad )∗%Elemento

10000

Asá las cosas, el peso seco del elemento carbono (C) obtenido de los residuos de comida es:

Peso secoC=40 %∗(100 %−70 % )∗48 %

10000=6.912 g

Este mismo procedimiento se hace para cada elemento en cada componente de la pila obteniendo los siguientes datos:

COMPONENTE          

  C (g) H (g) O (g) N (g) S (g)ORGANICOS          RESIDUOS COMIDA 6.912 0.922 5.414 0.374 0.058PAPEL Y CARTON 8.259 1.134 8.373 0.057 0.038PLASTICOS 3.528 0.423 1.341 0.000 0.000TEXTILES 1.980 0.238 1.123 0.166 0.005GOMA 0.382 0.049 0.000 0.010 0.000CUERO 0.270 0.036 0.052 0.045 0.002MADERA 1.584 0.192 1.366 0.006 0.003           INORGANICOS          VIDRIO 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000LATAS DE HOJALATA y AL 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000METALES 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000SUCIEDAD - CENIZAS 1.210 0.138 0.092 0.023 0.009

Tabla 2. Pesos secos de cada elemento. Fuente: Elaboración propia.

A continuación se hace la sumatoria de los pesos de cada elemento en la totalidad de la pila de basura. De este procedimiento se obtuvo los siguientes resultados:

C (g) H (g) O (g) N (g) S (g)24.1253 3.13156 17.76154 0.6809 0.115

Tabla 3. Pesos secos totales de cada elemento en la pila. Fuente: Elaboración propia.

A continuación se calcula la composición molar tomando en cuenta los pesos atómicos de los elementos en cuestión:

Peso atómico C H O N S(g/mol) 12.01 1.01 16.00 14.01 32.07

Tabla 4. Pesos atómicos. Fuente: Tabla periódica.

La composición molar de cada elemento está dado por:

Composicionmolar=Peso total del elemento en la pilaPesoatómico

Entonces para el carbón:

Composicionmolar C= 24.125 g12.01g /mol

=2.0087mol

Este cálculo se hace para todos los elementos, obteniendo:

Composición MolarC (mol) H (mol) O (mol) N (mol) S (mol)

2.0087 3.1069 1.1101 0.0486 0.0036Tabla 5. Composición molar. Fuente: Elaboración propia.

Finalmente se expresa la formula química con números entonces. Para ello se obtiene un factor de “ampliación” k:

k= 1Composición Molarde S

= 10.036

La composición molar de cada elemento es multiplicada por este factor obteniendo la siguiente formula química:

Formula químicaC H O N S

560 866 310 14 1Tabla 6. Formula química de pila #1. Fuente: Elaboración propia.

Para la Pila 2

CALCULO DE LA FORMULA QUIMICA DE LOS RSU

COMPONENTE PESO H COMPOSICION (BASE SECA)

  (%) (%) C (%) H (%) O (%) N (%) S (%) Cen (%)ORGANICOS                RESIDUOS COMIDA 58.2 70 48.0 6.4 37.6 2.6 0.4 5.0PAPEL 5.4 6 43.5 6.0 44.0 0.3 0.2 6.0CARTON 1.0 5 44.0 5.9 44.6 0.3 0.2 5.0PLASTICOS 4.9 2 60.0 7.2 22.8     10.0TEXTILES 1.7 10 55.0 6.6 31.2 4.6 0.2 2.5CUERO 0.5 10 60.0 8.0 11.6 10.0 0.4 10.0MADERA 1.9 20 49.5 6.0 42.7 0.2 0.1 1.5                 INORGANICOS                VIDRIO 3.3 2 0.50 0.1 0.4     98.9METALES 0.8 3 4.50 0.6 4.3     90.5OTROS 16.5 0            

SUCIEDAD - CENIZAS 5.8 8 26.30 3.0 2.0 0.5 0.2 68.0Tabla 7. Pila #2. Fuente: Ricardo Vargas Laverde

A partir de los datos dados en la tabla 1, se calcula primero el peso seco en gramos de cada elemento de la siguiente forma:

Peso secode elemento=%Peso seco∗(100 %−%Humedad )∗%Elemento

10000

Asá las cosas, el peso seco del elemento carbono (C) obtenido de los residuos de comida es:

Peso secoC=58.2%∗(100 %−70 % )∗48 %

10000=8.381g

Este mismo procedimiento se hace para cada elemento en cada componente de la pila obteniendo los siguientes datos:

COMPONENTE              C (g) H (g) O (g) N (g) S (g) Cen (g)

ORGANICOS            RESIDUOS COMIDA 8.381 1.117 6.565 0.454 0.070 0.873PAPEL 2.208 0.305 2.233 0.015 0.010 0.305CARTON 0.418 0.056 0.424 0.003 0.002 0.048PLASTICOS 2.881 0.346 1.095 0.000 0.000 0.480TEXTILES 0.842 0.101 0.477 0.070 0.002 0.038CUERO 0.270 0.036 0.052 0.045 0.002 0.045MADERA 0.752 0.091 0.649 0.003 0.002 0.023             INORGANICOS            VIDRIO 0.016 0.003 0.013 0.000 0.000 3.198METALES 0.035 0.005 0.033 0.000 0.000 0.702OTROS 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000SUCIEDAD - CENIZAS 1.403 0.160 0.107 0.027 0.011 3.628

Tabla 8. Pesos secos de cada elemento. Fuente: Elaboración propia.

A continuación se hace la sumatoria de los pesos de cada elemento en la totalidad de la pila de basura. De este procedimiento se obtuvo los siguientes resultados:

C (g) H (g) O (g) N (g) S (g) Cen (g)17.206 2.220 11.649 0.617 0.098 9.340

Tabla 9. Pesos secos totales de cada elemento en la pila. Fuente: Elaboración propia.

A continuación se calcula la composición molar tomando en cuenta los pesos atómicos de los elementos en cuestión.

La composición molar de cada elemento está dado por:

Composicionmolar=Peso total del elemento en la pilaPesoatómico

Entonces para el carbón:

Composicionmolar C= 17.206 g12.01g /mol

=1.4326mol

Este cálculo se hace para todos los elementos, obteniendo:

Composición MolarC (mol) H (mol) O (mol) N (mol) S (mol)

1.4326 2.2025 0.7281 0.0441 0.0031Tabla 10. Composición molar. Fuente: Elaboración propia.

Finalmente se expresa la formula química con números entonces. Para ello se obtiene un factor de “ampliación” k:

k= 1Composición Molarde S

= 10.0031

La composición molar de cada elemento es multiplicada por este factor obteniendo la siguiente formula química:

Formula químicaC H O N S

468 719 238 14 1Tabla 11. Formula química de pila #1. Fuente: Elaboración propia.

FORMULA QUÍMICA CON HUMEDAD

De manera análoga al procedimiento mostrado anteriormente, se realiza el cálculo de la fórmula química de las pilas bajo un determinado contenido de humedad. El procedimiento busca identificar y añadir al análisis energético de la pila, la composición molar de carbonos e hidrogenos añadida por la humedad de la pila:

1. Se determina el peso total y el peso seco de cada pila de residuos.

Para Pila 1

COMPONENTE PESO (g)HUMEDAD

(%)PESO SECO

(g)

RESIDUOS COMIDA 48 70 14,4PAPEL Y CARTON 20 5,5 18,9

PLASTICOS 6 2 5,88TEXTILES 4 10 3,6

GOMA 0,5 2 0,49CUERO 0,5 10 0,45

MADERA 4 20 3,2VIDRIO 7 2 6,86

LATAS DE HOJALATA y AL 2 3 1,94METALES 3 3 2,91

SUCIEDAD - CENIZAS 5 8 4,6TOTAL 100   63,23

Para Pila 2

COMPONENTE PESO (g)HUMEDA

D (%)PESO SECO

(g)

RESIDUOS COMIDA 58,2 70 17,46PAPEL Y CARTON 5,4 6 5,076

PLASTICOS 1 5 0,95TEXTILES 4,9 2 4,802

GOMA 1,7 10 1,53CUERO 0,5 10 0,45

MADERA 1,9 20 1,52VIDRIO 3,3 2 3,234

LATAS DE HOJALATA y AL 0,8 3 0,776METALES 16,5 0 16,5

SUCIEDAD - CENIZAS 5,8 8 5,336TOTAL 100   57,634

2. Los dos valores hallados anteriormente se restan con el fin de estimar el peso del agua en la pila de residuos y Se determina cuando hidrógeno y oxígeno hay en la pila de residuos, así:

Gramos de Hidrógeno=(Humedad total engramospesomolecular del agua )∗pesomolecular del H

Gramos deOxígeno=(Humedad totalen gramospesomolecular del agua )∗pesomolecular delO

Para Pila 1

Peso del agua en la pila de residuos # 1 (g)

36,77

Contenido de H en el agua (g) 4,082

Contenido de O en el agua (g) 32,657

Peso de residuos (g) 63,23TOTAL (g) 100

Para Pila 2

Peso del agua en la pila de residuos # 2 (g)

42,366

Contenido de H en el agua (g) 4,703

Contenido de O en el agua (g) 37,627

Peso de residuos (g) 57,634TOTAL (g) 100

3. La cantidad de hidrógeno y oxígeno determinadas en el paso anterior se suman a los valores de H y O obtenidos en el cálculo de la fórmula química sin humedad. Los demás valores correspondientes al peso total de C, N y S se mantienen iguales. Seguido se divide el peso total de cada elemento entre su respectivo peso molecular, esto con el fin de determinar la composición molar de los elementos.

Finalmente se determina la fórmula química dividiendo el contenido molar de cada elemento por el contenido molar más pequeño entre todos los elementos

Para Pila 1

COMPOSICIÓN (BASE SECA)COMPONENTE

C (% - g) H (% - g) O (% - g) N (% - g) S (% - g)48 6,912 6,4 0,922 37,6 5,414 2,6 0,374 0,4 0,058 RESIDUOS COMIDA

43,7 8,259 6 1,134 44,3 8,373 0,3 0,057 0,2 0,038 PAPEL Y CARTON60 3,528 7,2 0,423 22,8 1,341         PLASTICOS55 1,980 6,6 0,238 31,2 1,123 4,6 0,166 0,15 0,005 TEXTILES78 0,382 10 0,049     2 0,010     GOMA60 0,270 8 0,036 11,6 0,052 10 0,045 0,4 0,002 CUERO

49,5 1,584 6 0,192 42,7 1,366 0,2 0,006 0,1 0,003 MADERA                    VIDRIO                    LATAS DE HOJALATA y AL                    METALES

26,3 1,210 3 0,138 2 0,092 0,5 0,023 0,2 0,009 SUCIEDAD - CENIZAS

 24,12

5   3,132  17,76

2   0,681   0,115 TOTAL (∑ de componentes)

    + 4,082 +32,65

7        Peso aportado por la

Humedad

∑24,12

5   7,214  50,41

8   0,681   0,115 TOTAL NETO CON HUMEDAD

Fórmula Química: C560 + H1996 + O879 + N14 + S1

Para Pila 2

COMPOSICIÓN (BASE SECA)COMPONENTE

C (% - g) H (% - g) O (% - g) N (% - g) S (% - g)48 8,381 6,4 1,117 37,6 6,565 2,6 0,454 0,4 0,070 RESIDUOS COMIDA

43,5 2,208 6 0,305 44 2,233 0,3 0,015 0,2 0,010 PAPEL Y CARTON44 0,418 5,9 0,056 44,6 0,424 0,3 0,003 0,2 0,002 PLASTICOS60 2,881 7,2 0,346 22,8 1,095         TEXTILES55 0,842 6,6 0,101 31,2 0,477 4,6 0,070 0,15 0,002 GOMA60 0,270 8 0,036 11,6 0,052 10 0,045 0,4 0,002 CUERO

49,5 0,752 6 0,091 42,7 0,649 0,2 0,003 0,1 0,002 MADERA0,5 0,016 0,1 0,003 0,4 0,013         VIDRIO4,5 0,035 0,6 0,005 4,3 0,033         LATAS DE HOJALATA y AL

                    METALES26,3 1,403 3 0,160 2 0,107 0,5 0,027 0,2 0,011 SUCIEDAD - CENIZAS

  17,206   2,220   11,649   0,617   0,098 TOTAL (∑ de componentes)    + 4,703 + 37,627         Peso aportado por la Humedad∑ 17,206   6,923   49,275   0,617   0,098 TOTAL NETO CON HUMEDAD

Fórmula Química: C468 + H2243 + O1006 + N14 + S1

PODER CALORIFICO INFERIOR (PCI)

Para calcular el poder calorífico se puede proceder mediante 2 metodologías:

a) Mediante el uso de la fórmula modificada de Dulong: En esta metodología se contemplan los porcentajes de composición en peso seco de cada uno de los componentes molares orgánicos (C,H,O,N y S), se calculan para cada componente de los residuos y se suman para encontrar el poder calorífico total, ya sea por componente de la pila o el total neto de la pila de residuos.

(Tchobanoglous, 1996)

b) Mediante la tabla F.1.7. de la RAS-2000: Esta metodología se basa en el porcentaje de rechazos inertes, en otras palabras, a las cenizas y residuos en porcentaje que quedan luego de la incineración de la pila. Para ello, la norma trabaja con rangos de valores y sus correspondientes valores críticas, siendo un método un poco conservador pues da bastante ponderación al criterio y la experiencia de quien hace el análisis.

A continuación se presetan los valores y rangos típicos especificados en la RAS-200 (Título F RAS-2000, Tabla F.1.7.)

Así, siguiendo los procedimientos mencionados anteriormente se calculan los porcentajes de cenizas y residuos pos incineración suponiendo que se tienen 100 g de material. Posteriormente se aplican las metodologías descritas y se aplican los diferentes factores de conversión de unidades para poder comparar los resultados.

Para Pila 1

Ceniza (%) PCI (RAS 2000) PCI (RAS 2000) PCI (Dulong Modified)  Tabla F.1.7 (Kcal/Kg) (Kj/Kg) (Kj/Kg)5 1111 4651,757 18698,714

5,5 4000 16748 15420,5077510 7776 32558,112 26408,241

2,45 4167 17447,229 22501,72410 5556 23262,972 40542,1810 4167 17447,229 29799,5491,5 4444 18607,028 17648,81575

              

98 33 138,171 097 167 699,229 097 167 699,229 068 1667 6979,729 12802,304

PCITotal (Kj/kg) 139238,685 183822,0355

Para Pila 2

Cen (%) PCI (RAS 2000) PCI (RAS 2000) PCI (Dulong Modified)  Tabla F.1.7 (Kcal/Kg) (Kj/Kg) (Kj/Kg)

5,0 1111 4651,757 18698,7146,0 4000 16748 15406,2615,0 7776 32558,112 15326,5955

10,0 4167 17447,229 26408,2412,5 5556 23262,972 22501,724

10,0 4167 17447,229 29799,5491,5 4444 18607,028 17648,81575

              

98,9 33 138,171 239,57890,5 167 699,229 1606,39375

  167 699,229 068,0 1667 6979,729 12802,304

PCITotal (Kj/kg) 139238,685 160438,176

CONCLUSIONES Y ANÁLISIS

Tras los cálculos realizados es importante resaltar la presencia de la humedad en las pilas como un catalizador en el aumento de las componentes molares aportadas por el agua, Oxígeno e Hidrógeno. Esto califica como resultado esperado pues es bien sabido que el agua aporta valor energético a los procesos de incineración, los alimenta y fortalece.

Así mismo resulta imperante reflexionar sobre las disidencias encontradas en el cálculo del poder calorífico bajo las dos metodologías presentadas anteriormente. Tras analizar los resultados y las metodologías es posible concluir que la metodología especificada por la RAS-2000 en la tabla F.1.7 del Título F de dicha norma, resulta atender al comportamiento histórico de las variables involucradas en el análisis energético de los residuos sólidos, sin embargo dada la variabilidad en la cual se presentan en el cotidiano, es posible señalar el método como conservado, menos preciso que subestima el valor energético de los residuos. En contraposición a esto, la fórmula modificada de Dulong involucra muchos más parámetros, presenta un análisis más específico para cada pila, es fácil de aplicar y confiable por lo que en conclusión brinda más nociones de seguridad y precisión en su uso.