Reacciones y productos electroquímicos para procesamiento y tratamiento de aguas residuales

Introducción

Las aguas residuales resultan de la acumulación de contaminaste en el agua, una vez que esta fue utilizada por el ser humano para actividades de tipo agrícola, industrial y domesticas.

Actualmente con el crecimiento de la población mundial se ha vuelto un reto proveer agua limpia para toda la población, especialmente en los países en vía de desarrollo, a causa de que los cuerpos de agua están siendo contaminados por residuos industriales y otras actividades que realiza el hombre. El reuso del agua residual es ahora una necesidad, la cual esta en busca de tecnologías efectivas.

El tratamiento que se le debe dar a las aguas residuales es bastante complejo debido a la gran variedad y cantidad de contaminantes es muy alta.

El tamaño de las partículas contaminantes presentes en el agua es muy variado.

Hay sólidos que por su tamaño pueden observarse a simple vista en el agua y dejando la suspensión en reposo, se pueden separar bien por decantación bajo la influencia de la gravedad o bien por flotación, dependiendo de las densidades relativas del sólido y del agua. También resulta fácil separarlas por filtración.

Sin embargo, hay otras partículas muy finas de naturaleza coloidal denominadas coloides que presentan una gran estabilidad en agua. Tienen un tamaño comprendido entre 0,001 y 1 &µm y constituyen una parte importante de la contaminación, causa principal de la turbiedad del agua. Debido a la gran estabilidad que presentan, resulta imposible separarlas por decantación o flotación. Tampoco es posible separarlas por filtración porque pasarían a través de cualquier filtro.

La causa de esta estabilidad es que estas partículas presentan cargas superficiales electrostáticas del mismo signo, que hace que existan fuerzas de repulsión entre ellas y les impida aglomerarse para sedimentar.

El tratamiento físico químico del agua residual tiene como finalidad mediante la adición de ciertos productos químicos la alteración del estado físico de estas sustancias que permanecerían por tiempo indefinido de forma estable para convertirlas en partículas susceptibles de separación por sedimentación.

El adecuado tratamiento de aguas residuales industriales y su posterior reutilización para múltiples usos contribuye a un consumo sostenible del agua y a la regeneración ambiental del dominio público hidráulico y marítimo y de sus ecosistemas. Sin olvidar que el agua de calidad es una materia prima crítica para la industria.

Tomando en cuenta estos aspectos, en esta investigación se plantean los siguientes objetivos:

1.1. OBJETIVO GENERAL

Conocer los métodos electroquímicos para procesamiento y tratamiento de aguas residuales, procedentes de la industria.

1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

1.2.1. Determinar el método electroquímico más eficiente.

1.2.2. Conocer las ventajas y desventajas de los métodos electroquímicos utilizados para el tratamiento de aguas residuales.

1.2.3. Conocer que tipo de componentes contaminantes se pude eliminar o reducir de acuerdo al método electroquímico utilizado.

Marco teórico

2.1. Generalidades.

El uso de la electricidad en el tratamiento de aguas fue propuesto por primera vez en inglaterra 1889, y se patento un proceso de electròlisis en 1904 para el tratamiento de las aguas de consumo. A gran escala se empleo en Estados Unidos en 1943, sin embargo os costos relacionados con la energìa consumida en los procesos, los hizo perder interes en su aplicaciòn a nivel mundial. Hoy en dia los nuevos desarrollos tecnològicos no han logrado bajar los costos de su utilizaciòn, sin embargo hace a los mètodos electroquìmicos mucho mas eficientes y compactos por lo que su uso se a incrementado notablemente. Dentro de los preceso usados en la actualidad podemos mencionar : electrocoagulaciòn, electrofloculaciòn, electrofotaciòn, electrooxidaciòn y electrocloraciòn.

2.2. Contaminacion del agua.

Hablamos de agua contaminada cuando esta ha sufrido alteraciones o un daño de su estado original de pureza, por la incorporación de sustancias extrañas las cuales hacen que el agua no pueda ser empleada en sus usos habituales como por ejemplo el consumo humano, agricultura, industria, etc

2.3. Metodos electroquimicos para tratamiento de aguas residuales.

En la actualidad los procesos electroquímicos han alcanzado un estado en el cual no son solamente comparables desde el punto de vista económico con otros procesos sino que también son más eficientes, compactos y automatizados. Los procesos electroquímicos utilizados en el tratamiento de aguas se basan en la utilización de electricidad para producir una reacción química destinada a la eliminación o destrucción del contaminante presente en el agua. Básicamente el sistema electroquímico está formado por un ánodo, donde ocurre la oxidación, un cátodo, donde tiene lugar la reducción y una fuente de corriente continua encargada de suministras la electricidad. Los parámetros claves a la hora de aplicar un proceso electrolítico son diseño del reactor, naturaleza de los electrodos, y diferencia de potencial y/o corriente de trabajo. En este artículo se verán brevemente los distintos procesos electroquímicos empleados en el tratamiento de agua.

2.4. Electrocoagulación

El fundamento teórico de la electrocoagulación, consiste en:

• Separación rápida de coloides del electrodo, evitando que se ensucie.

• Arrastre de coloides desestabilizados a la superficie formando una nata, posibilitando no sólo una extracción por sedimentación clásica, sino también, por flotación.

• Debido a las burbujas de gas se producen corrientes ascendentes y descendentes de la solución ocasionando una mejor superficie de contacto, provocando así un aumento en la eficiencia de desestabilización. Esta agitación "espontánea" evita la agitación "mecánica".

Figura 1: Esquema grafico de la electrocoagulación.

PROCESO

• Método de desestabilización de coloides en el agua mediante la adición de iones con cargas opuestas.

• En el proceso  de Electrocoagulación, el coagulante se genera in situ por oxidación electrolítica del ánodo de un material apropiado.

• La Electrocoagulación ofrece una alternativa a la utilización de sales de metal o polímeros y la adición de poli electrolitos para romper emulsiones y suspensiones.

• Aunque el mecanismo de Electrocoagulación se asemeja a la coagulación química en que las especies catiónicas son responsables de la neutralización de las cargas superficiales, las características de ésta difiere dramáticamente de la coagulación química. Un rebaño electrocoagulador tiende a contener menos agua ligada, es más corto, resistente y fácil de filtrar.

VENTAJAS

• Entre las ventajas de la Electrocoagulación tenemos:

• Se requiere de equipos sencillos y de fácil operación con costos de operación de aproximadamente  el 50% de los clásicos tratamientos.

• Los lodos formados por Electrocoagulación tienden a ser fáciles de desaguar, contienen menos agua, son inertes, higienizados, siendo aptos para el compostaje.

• Son más fáciles de filtrar.

• Tiende a llevar las aguas tratadas cerca de un PH neutro.

• Produce efluentes con menos contenido de TDS en comparación con los tratamientos químicos convencionales.

• Precipita metales pesados, arsénico, etc. Sólidos coloidales (orgánicos e inorgánicos), partículas y contaminantes inorgánicos solubles en medio acuoso.

• Higieniza y desinfecta de patógenos el vertido final debido a la formación de hipoclorito in situ.

• Evita la utilización de productos químicos, evitándose así la contaminación secundaria, causada por sustancias químicas añadidas.

• Elimina requerimientos de almacenamiento y uso de productos químicos.

2.5. Electroflotación

La electroflotación es uno de los variados procesos electroquímicos en el tratamiento de aguas residuales, que cada vez están adquiriendo mayor importancia por su versatilidad, reducido tamaño y capacidad de automatización. La electroflotación es un interesante proceso desarrollado para el tratamiento de suspensiones diluidas. En él se generan electrolíticamente burbujas de gas en el interior de la suspensión que se unen a las partículas sólidas provocando el ascenso de las mismas a la superficie. Como las burbujas son muy pequeñas, tienen una elevada superficie especifica siendo por tanto muy eficaces para suspensiones de partículas finas. Este método ha sido desarrollado especialmente para el tratamiento de efluentes industriales diluidos, incluyendo suspensiones y coloides, sobre todo aquellos que contienen péquelas cantidades de materiales orgánicos. Permite separar las suspensiones diluidas en una suspensión concentrada y un líquido claro y, al mismo tiempo, permite la oxidación en el electrodo positivo de materia orgánica no deseada.

Figura 2: Esquema de un proceso de electroflotación.

El sistema de electroflotación se realiza en un tanque por el que pasa el efluente a tratar. En el fondo de éste, se localizan los electrodos de modo que el cátodo queda por encima del ánodo. A través de estos electrodos, circula una corriente eléctrica que provoca la electrólisis del agua con la consiguiente formación de pequeñas burbujas de oxígeno (en el ánodo) y de hidrógeno (en el cátodo. Dichas burbujas arrastrarán en su trayectoria ascendente hacia la superficie, las pequeñas partículas que se encuentren en suspensión en el efluente a tratar. Para favorecer la eliminación de los contaminantes se utilizan floculantes antes de tratar el agua en el sistema de electroflotación.

Figura 3. Ventajas del uso de la electroquímica como tratamiento de aguas residuales

2.6. Electrooxidación

La invención está relacionada con las técnicas empleadas en el tratamiento de aguas residuales y, más particularmente, está relacionada con un procedimiento e instalación para tratar aguas residuales, preferentemente aguas negras y aguas grises, mediante electrólisis, donde se realiza un proceso de electro-oxidación.

Las actividades industriales o domésticas generan agua residual que necesita ser tratada antes de ser descargada o reciclada, numerosos métodos han sido creados para este fin, entre ellos, se ha utilizado recientemente el tratamiento electroquímico.

El objeto de la invención es proveer un nuevo procedimiento para tratamiento de aguas residuales, preferentemente aguas negras (con materia fecal), aguas grises generadas en el lavado de manos o una combinación de las mismas.

¿En qué consiste el procedimiento?

Para ello se ha desarrollado un procedimiento, en donde inicialmente el agua residual se desbasta para eliminar de ella sólidos gruesos, luego se almacena temporalmente en un primer depósito, entonces se trituran los sólidos existentes en el agua desbastada que se encuentra en el primer depósito para disminuir su tamaño.

Una vez que se han triturados las partículas, el agua se almacena en un segundo depósito; de ahí el agua se envía hacia un reactor electroquímico en donde se realiza una electro-oxidación suministrando al reactor corriente eléctrica para obtener agua depurada.

Desde el reactor, el agua se recircula hacia el segundo depósito para medir ahí su pH, turbidez y conductividad; y, desde el segundo depósito se filtra el agua depurada una vez que, en el segundo depósito, el agua cumple con valores establecidos de pH, turbidez y conductividad.

En el procedimiento de la invención, el agua residual a tratar es agua negra con materia fecal, agua gris generada por el lavado de manos o una combinación de ambas. Una vez que se ha realizado el procedimiento el agua depurada tiene una turbidez máxima de 1 NTU.

En otro aspecto de la invención, se provee una instalación para realizar tratamiento electroquímico de agua residual, la instalación comprende una rejilla donde se desbasta el agua residual que ingresa a la instalación; asimismo, la instalación comprende un primer depósito donde se almacena temporalmente el agua que ha sido desbastada; otro elemento de la instalación son medios para triturar las partículas del agua que se encuentra en el primer depósito, los medios de trituración estando en comunicación de flujo con el primer depósito.

Otro elemento importante de la instalación es un segundo depósito en comunicación de flujo con los medios trituradores donde se almacena el agua con partículas trituradas.

Finalmente, existe un filtro para filtrar el agua que ha sido depurada electroquímicamente y que cumple con las condiciones de pH, turbidez y conductividad, el filtro se encuentra en comunicación de flujo con el segundo depósito. Tal como se puede observar, el núcleo de la instalación es el reactor electroquímico que tiene ánodos de rutenio, iridio o diamante, dichos ánodos se encuentran dispuestos en el reactor en una configuración de placas paralelas.

Figura 4: Esquema de un proceso de electrooxidacion

Cuadro 1: Cuadro comparativo entre electrooxidación y tratamiento biológico.

Fuente: http://www.procontrolsl.com/productos-patentados/proelox-sistema-de-tratamiento-de-aguas-por-electrooxidacion

Cuadro 2: Cuadro comparativo de diferentes oxidantes químicos.

Fuente: http://www.inese.es/html/files/pdf/amb/iq/361/30articulo.pdf

2.7. Electrocloración.

El proceso de electrolisis consiste básicamente en hacer pasar una corriente eléctrica mediante dos electrodos sumergidos en una célula electrolítica. La conducción es posible gracias a los iones procedentes de las sales en disolución entre los que se encuentran los iones Cl- de los cloruros.En el ánodo el ión Cl- transfiere un electrón al circuito eléctrico en una reacción de oxidación formando cloro molecular Cl2.En el cátodo el agua es reducida (adquiere un electrón) y se descompone formando hidrógeno gaseoso e iones hidroxilo. (Esta reacción ocurre más fácilmente que la reducción de los cationes provenientes de las sales).Las especies formadas en ánodo y cátodo, Cl2 y OH- respectivamente, tienen libertad para mezclarse y terminan reaccionando entre sí produciendo iones hipoclorito, uno de los principales oxidantes en el proceso de cloración y que desencadenaran todo el proceso de desinfección.

La oxidación del ión cloruro para formar el cloro gaseoso requerido no es desde el punto de vista termodinámico la reacción mas probable en un ánodo. En condiciones normales, la oxidación del agua y la consiguiente generación oxígeno e iones H+ predomina. Para construir un electroclorador útil es, pues, necesario favorecer la producción de cloro e inhibir la producción de oxigeno. Esto se consigue recubriendo los electrodos con un catalizador adecuado. El recubrimiento catalítico habitual en los sistemas de electrocloración es el oxido de rutenio y otros metales preciosos. Los electrodos así recubiertos proporcionan un rendimiento químico y energético suficiente para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, su capacidad de producción está condicionada a la existencia de una reserva de iones cloruro prácticamente ilimitada, asegurada por un aporte externo de sal (NaCl).

Figura 5: Diagrama electrocloración

2.8. Electrofloculacion

La electrofloculación es muy adecuada para tratar los efluentes difíciles. Este proceso permite tratar grandes caudales con bajos costes de funcionamiento y sin la utilización de productos químicos, con excepción del necesario para mantener un Ph cercano a 7. El filtrado obtenido puede en la mayoría de los casos ser reincorporado al proceso de fabricación o bien reciclado. También se puede, incorporando un equipo complementario, obtener un filtrado limpio, que puede ser utilizado en aquellas aplicaciones que necesitan un fluido de gran pureza.

2.9. Ventajas del tratamiento electroquímico para la eliminación de contaminantes.

• El metal se recupera en su forma de mayor valor.

• No se necesita agentes extras, el se puede reciclar.

• Se puede lograr control electroquímico del pH de la solución.

• Se minimiza la producción de lodos.

• Se pude lograr la deposición selectiva de metales.

• Se puede lograr a deposición de algunas aleaciones.

• Costos de operación bajos.

• Uso simple y compacto.

• Compatibilidad ambiental: si se diseña adecuadamente el proceso electroquímico es posible convertir los componentes tóxicos en productos de bajo, o nulo, impacto ambiental. También se la considera una tecnología "limpia" .

• Versatilidad: es posible utilizar un mismo sistema de tratamiento para eliminar distintos compuestos tóxicos sin mayores cambios de los diseños ni en los electrodos empleados.

• Eficiencia de energía: si se controla las reacciones competitivas , empleando electrodos con adecuada actividad catalítica, es posible lograr altas eficiencias en la energía eléctrica empleada. Idealmente una conversión del 100%.

• Selectividad: la posibilidad de controlar el potencial del electrodo de trabajo, ánodo o cátodo, permite seleccionar la reacción electroquímica deseada.

• Aromatización: si el tratamiento se va a emplear rutinariamente para un determinado tipo de residuo, es factible automatizar totalmente el proceso con la posibilidad actual de adquirir y procesar datos experimentales en tiempo real

2.10. Desafíos tecnológicos de los tratamientos electroquímicos

• Las concentraciones tienen que ser bajas. El proceso controlado por el transporte de masa.

• La disminución de la concentración del metal disminuye la eficiencia de la corriente.

• Se requiere de un electrolito de soporte.

• Se debe prevenir o minimizar la reacción de desprendimiento de H2 o reducción de O2.

• La superficie del cátodo cambia sus propiedades con el tiempo.

• Los elementos tridimensionales pueden sufrir aglomeraciones.

Resultados y análisis

De acuerdo a la investigación realizada podemos dar los siguiente resultados de dos métodos para tratamiento de aguas residuales.

Los cuales son :

• Electrocoagulación.

• Electrooxidación

3.1. Electrocoagulación

3.1.1. Resultados de la tesis DEISY REYES ÁVILAIVAN DARÍO MERCADO MARTÍNEZ de la Universidad Nacional de Colombia ¨Estudio de trazabilidad por electrocoagulación de los lixiviados del relleno sanitario la esmeralda.¨

A continuación de muestran los datos de remoción obtenidos para diferentes tiempos y volates utilizando electrodos de aluminio.

Cuadro 3: Datos de remoción obtenidos.

A continuación de muestran los datos de remoción obtenidos manteniendo constantes el voltaje y variando el tiempo.

Cuadro 4: Datos de remoción obtenidos variando los parámetros.

3.2 . Electrooxidación

3.2.1. Resultados de J.Mº.Oliver , Director de Desarrolllos ecologicos industriales."Oxidacion quimica para residuales industriales."

Cuadro 5: Tabla de resultados obtenidos con el método de electrooxidación.

3.3. Análisis de Resultados.

La electrocoagulación se ve es un proceso muy eficiente en el tratamiento de aguas residuales aunque según los resultados hay un mejor funcionamiento para el control de aguas provenientes de las industria en lo que se refiere a DQO y a su coloración debemos aclarar que los datos pueden tener variables como el número de veces que pasa por el tratamiento que en las industrias habla de 5 veces y en la minera de una pero complementada con la floculación.

Nuestra meta es dar una idea de la eficiencia de la electrocoagulación para la industria textil o minera y aunque se ve que el proceso por sí mismo no dará el resultado esperado (en una sola etapa) al aumentar el número de procesos o complementarlo con un otro adicional la electrocoagulación es viable para cualquiera de las dos industrias en lo que a eficiencia y regularización de normas se refiere ahora que en viabilidad en cuanto a costo económico no ha sido estudiada y esto dependerá del provecho que se obtenga del tratamiento.

La electrooxidación como se puede ver en el cuadro 5 también se obtienen resultados muy satisfactorios pues el valor de DQO de salida con respecto al de entrada disminuye casi un 96%, por lo que se puede decir que el método de electrooxidación para aguas residuales es muy eficiente.

Conclusiones

4.1. Con la realización de esta investigación se puede concluir que los proceso electroquímico son de gran utilidad en cuanto al tratamiento de aguas residuales, pues contribuyen a la reutilización del agua y a la regeneración ambiental.

4.2. Los procesos electroquímicos no son solo comparables desde el punto de vista económico con otros procesos sino que también son más eficientes, compactos y automatizados. Los procesos electroquímicos utilizados en el tratamiento de aguas se basan en la utilización de electricidad para producir una reacción química destinada a la eliminación o destrucción del contaminante presente en el agua.

4.3. Según los datos recopilados y la investigación realizada se puede decir que el proceso de electrocoagulación presenta mejores resultados para el tratamiento de aguas residuales provenientes de industrias textiles ya que según se muestra para conseguir estos porcentajes en la remoción de metales pesados de aguas residuales provenientes de una mina es necesario implementar otro proceso a parte de la electrocoagulación como lo es la floculación lo que implica la inversión de más recursos económicos y mayor cantidad de tiempo.

4.4. Otro de los métodos electroquímicos eficientes según la investigación es el método de electrooxidación pues permite tratar una gran variedad de contaminantes orgánicos, ocluyendo tóxicos o refractarios a la oxidación biológica. Es un proceso que puede trabajar en forma continua.

Bibliografía

• Trabajo de tesis tesis DEISY REYES ÁVILAIVAN DARÍO MERCADO MARTÍNEZ de la Universidad Nacional de Colombia ¨Estudio de trazabilidad por electrocoagulación de los lixiviados del relleno sanitario la esmeralda.¨ 2003

• Trabajo de investigación de J.Mº.Oliver , Director de Desarrolllos ecologicos industriales."Oxidacion quimica para residuales industriales."

• Tratamiento de aguas

http://www.procontrolsl.com/productos-patentados/proelox-sistema-de-tratamiento-de-aguas-por-electrooxidacion

• ?Mollah, P., Morkovsky., Gomes J.A.G., Kesmez, M., Parga J. and Cocke D.L. Fundamentals, present and future perspectives of electrocoagulation, an future perspectives of eletrocoagulation. J. Hazard. Mater. 114 (1–3) (2004) 199–210.

MONOGRAFIA DE INVESTIGACION

Autor:

Dr. Enrique Tacoronte

Valeria Martinez

Livia Quishpe

CUARTO SEMESTRE PARALEO II

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA

2013-12-16