Reducción de colorantes de las aguas residuales de la industria textil

Introducción

La siguiente monografía consiste en un estudio de la reducción del impacto causado por las industrias textiles al desechar aguas residuales utilizando el proceso de electrocoagulación

El objetivo es establecer que tan eficiente puede ser la electrocoagulación al momento de disminuir el colorante negro sulfuroso en las aguas residuales.

El agua es un recurso que lo podemos conseguir de forma relativamente pura en diferentes fuentes naturales; luego de la intervención del hombre regresa a los cauces con cierto grado de contaminación. Luego de haber obtenido el agua en forma natural y una vez intervenida esta se considera un desecho o agua residual, siendo nociva para los seres vivos y el ambiente, siendo un derecho establecido en la constitución el contar con programas de uso racional de agua, reducción y reciclaje es así deber de todos aportar en la investigación de formas de mitigar el impacto ambiental.

Para nuestro trabajo visitamos una empresa textil en la cual se pudo constatar que el agua que se desecha no es tratada de la manera adecuada, tomamos muestras las sometimos a pruebas como son el color real y color aparente; además de sólidos suspendidos y sólidos disueltos antes y después del tratamiento obteniendo así por diferencia la cantidad de colorante reducido.

CAPÍTULO I

El agua

1.1. DEFINICIÓN

La palabra agua viene del latín aqua, es una sustancia cuya molécula está formada por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno; notada como H2O

1.1.1. Importancia del Agua

El agua es esencial para la supervivencia de todas las formas conocidas de vida.

Sin agua no hay vida. El hecho de que el agua constituya alrededor del 60% del peso corporal en los hombres y cerca del 50% en las mujeres prueba ampliamente su importancia para la vida humana. (Martínez, 2010).

Los humanos consumen agua potable. Los recursos naturales se han vuelto escasos con la creciente población mundial y su disposición en varias regiones habitadas es la preocupación de muchas organizaciones gubernamentales.

1.1.2. Propiedades del Agua

El agua es una sustancia cuya fórmula química es H2O. Sus propiedades físico-químicas más notables son:

• Con presión constante, el índice de tensión superficial del agua disminuye al aumentar su temperatura.

• El punto de ebullición del agua está directamente relacionado con la presión

• atmosférica.

• El agua es un disolvente muy potente, al que se ha catalogado como universal y afecta a muchos tipos de sustancias distintas.

• El agua es miscible con muchos líquidos, como el etanol, y en cualquier proporción, formando un líquido homogéneo.

• El agua pura tiene una conductividad eléctrica relativamente baja, pero ese valor se incrementa significativamente con la disolución de una pequeña cantidad de material iónico, como el cloruro de sodio.

• El agua tiene el segundo índice más alto de capacidad calorífica específica -sólo por detrás del amoníaco- así como una elevada entalpía de vaporización, ambos factores se deben al enlace de hidrógeno entre moléculas.

• La densidad del agua líquida es muy estable y varía poco con los cambios de temperatura y presión.

• El agua puede descomponerse en partículas de hidrógeno y oxígeno mediante

• electrólisis.

• A presión atmosférica normal hierve a 100° C y se congela a 0° C.

• Alcanza su densidad máxima a los 4° C.

1.1.3. Características del Agua

• El agua cubre las tres cuartas partes de la superficie de la Tierra (mares, ríos, lagos, etc.), también constituye del 50% al 90% por peso, de todas las plantas y animales.

• Su gravedad específica es de 1, su calor específico es 1.

• El agua es insípida e inodora en condiciones normales de presión y temperatura.

• El agua bloquea ligeramente la radiación solar UV fuerte.

• El oxígeno tiene una electronegatividad superior a la del hidrógeno, el agua es una molécula polar.

1.1.4. Ciclo Hidrológico del Agua

El ciclo hidrológico o ciclo del agua es el proceso de circulación del agua entre los distintos compartimentos de la hidrósfera.

La mayor parte de la masa del agua se encuentra en forma líquida, sobre todo en los océanos y mares y en menor medida en forma de agua subterránea o de agua superficial.

Los principales procesos implicados en el ciclo del agua son:

El proceso se repite y así el líquido vital no se pierde nunca.

1.1.5. Usos del Agua

Es tan importante el agua en la naturaleza que el hombre ha destinado algunos usos para ella, como son:

1.2. CONTAMINACIÓN DEL AGUA

1.2.1. Definición

La contaminación del agua es la alteración o daño del estado original de pureza del agua mediante la incorporación de materias extrañas de modo directo o indirecto, que perjudican su estado y la hacen inútil para los diversos usos como son el consumo humano, la industria, agricultura, para los animales, y la vida natural.

Toda el agua pura procedente de las lluvias, ya antes de llegar al suelo recibe su primera carga contaminante, cuando disuelve sustancias como anhídrido carbónico, óxido de azufre y de nitrógeno que la convierten en lluvia ácida. Ya en el suelo el agua puede arrastrar un sin número de contaminantes hacia donde la escorrentía le lleve a desembocar.

Otro factor y el más importante que influye en la contaminación del agua son las actividades humanas, pues con el crecimiento poblacional, y el surgimiento de la actividad industrial, la polución de los ríos, lagos y aguas subterráneas aumenta constantemente.

1.2.2. Principales Contaminantes del Agua

Hay un gran número de contaminantes que se pueden clasificar de la siguiente manera:

1.2.3. Parámetros Generales, e Indicadores de Contaminación del Agua

El libro "Contaminación Ambiental una visión desde la Química", menciona que se puede realizar un estudio de la calidad de las aguas clasificándolas según su naturaleza de la propiedad o especie que se determina.

Así se los puede dividir en:

1.2.3.1. Parámetros de Carácter Físico

a. Características organolépticas

b. Turbidez y materias en suspensión c. Temperatura

d. Conductividad

1.2.3.2. Parámetros de Carácter Químico

a. Salinidad y dureza

b. pH: Acidez y Alcalinidad c. Oxígeno disuelto

d. Medidores de materia orgánica DBO, DQO

e. Medidores de materia inorgánica: Cationes, Aniones, Metales

1.2.3.3. Parámetros de Carácter Radiactivo

a. Radiación y totales

b. Elementos individuales

1.2.4. Fuentes de Contaminación del Agua

Se consideran las fuentes naturales y antropogénicas:

a. Naturales

Ciertas fuentes de contaminación del agua son naturales, como son algunos metales y otros productos que se encuentran naturalmente en la corteza de la tierra y en los océanos. Beneficiosamente las fuentes de contaminación natural son muy dispersas y no provocan concentraciones altas de contaminación, ocurriendo lo contrario con las fuentes antropogénicas.

b. Antropogénicas

La contaminación antropogénica es producida por la actividad humana. Hay cuatro focos principales de contaminación antropogénica: Industria, contaminación doméstica y urbana, navegación, contaminación agrícola y agropecuaria.

• Industria

El agua que utilizan las industrias para sus procesos es vertida a los ríos, sin un tratamiento previo. En su mayoría no poseen sistemas de depuración de las aguas, esta contaminación es muy elevada dada la gran cantidad de agua que necesita la industria en proceso de producción. Además, con sus emisiones a la atmósfera mediante chimeneas de expulsión de humos contribuyen a la formación de la lluvia ácida.

• Navegación

Produce diferentes tipos de contaminación, especialmente con hidrocarburos que son un tipo de contaminantes que afectan a la calidad del agua de manera importante. Los derrames de petróleo cada día son más frecuentes en los océanos, dejan estelas de contaminación de efectos a muy largo plazo. La formación de una película impermeable

sobre el agua en las zonas de derrame afecta rápida y directamente a las aves y a los mamíferos acuáticos ya que obstruye el intercambio gaseoso y desvía los rayos luminosos que aprovecha el fitoplancton para llevar a cabo el proceso de fotosíntesis.

• Contaminación Agrícola y Ganadera

En la actualidad es casi imprescindible el uso de pesticidas y abonos químicos en la agricultura, los mismos se incorporan al agua por filtración del terreno hacia las aguas subterráneas.

La actividad ganadera es otro aporte importante en la contaminación del agua, fundamentalmente por la producción de grandes cantidades de residuos orgánicos en forma de purinas que producen la contaminación de los acuíferos.

• Contaminación Doméstica y Urbana

La contaminación doméstica se debe al uso de detergentes, para el aseo personal y del hogar. Se trata de productos variados y de muy diferentes características.

La contaminación urbana comprende el uso de vehículos que causan las emisiones de humos que depositados por la lluvia son los responsables, junto con la industria de la lluvia ácida. A esto se suman los vertidos de aceites de motor y otros líquidos derivados del petróleo, los que también son altamente nocivos.

1.2.5. Efectos de la Contaminación del Agua

La contaminación del agua tiene varias consecuencias en la vida animal, vegetal y desde luego en la salud humana. La presencia de nitratos en el agua potable puede producir enfermedades que pueden ser mortales en los niños. Los fertilizantes derivados de metales pueden ser absorbidos por las cosechas y de ser ingerida, en cantidad suficiente, pueden ocasionar lesiones en algunos órganos humanos.

En general el agua contaminada se convierte en un vehículo de agentes infecciosos como virus, bacterias, helmintos, protozoarios, hongos, sustancias tóxicas perjudiciales para la salud.

1.2.6. Efectos de la Contaminación en Ríos y Lagos

Los ríos se definen como la corriente natural de agua que fluye por un lecho, desde un lugar elevado a otro más bajo. La gran mayoría de los ríos desaguan en el mar o en un lago, aunque algunos desaparecen debido a que sus aguas se filtran en la tierra o se evaporan en la atmósfera.

Los ríos representan la principal fuente de abastecimiento de agua de las poblaciones humanas. La agricultura, el transporte y la industria al utilizar sus aguas las devuelven sin previo tratamiento en la mayoría de veces, es por esta circunstancia que los ríos se ven afectados constantemente y se pueden generar problemas como la alteración de la cadena trófica, que se rompe por la presencia de materiales extraños introducidos. De esta manera algunas especies se reproducen en demasía y otras desaparecen, lo que no sucede con aguas no contaminadas en donde existe un equilibrio entre los animales y los vegetales.

1.2.7. Legislación Ambiental de Aguas

Para el avance de la presente monografía es necesario conocer la Normativa Ecuatoriana del Agua que se aplica en el país, por lo que hemos tomado como referencia el TEXTO UNIFICADO DE LEGISLACIÓN AMBIENTAL SECUNDARIA y las NORMAS TÉCNICAS AMBIENTALES PARA EL DISTRITO METROPOLITANO DE QUITO.

El Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundaria (TULAS), LIBRO VI establece:

a. Los límites permisibles, disposiciones y prohibiciones para las descargas en cuerpos de aguas o sistemas de alcantarillado.

b. Los criterios de calidad de las aguas para sus distintos usos.

c. Métodos y procedimientos para determinar la presencia de contaminantes en el agua.

Nosotros tomaremos como referencia la Tabla 11. Límites de descarga al sistema de alcantarillado público y la Tabla 12. Límites de descarga a un cuerpo de agua dulce, del Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundaria, las cuales contienen 44 y 50 parámetros respectivamente.

Para obviar la mención de todos los parámetros de dichas tablas y centrarnos en los parámetros que tendrán real importancia en nuestro proyecto nos basaremos en las Normas Técnicas Ambientales para el Distrito Metropolitano de Quito, en la cual explica que toda descarga líquida proveniente de actividades industriales, comerciales, deberá ser vertida en la red pública de alcantarillado o cauce de agua cuando se haya verificado el cumplimiento de los valores máximos per misibles de los parámetros aplicables a cada tipo de actividad enlistados en el Anexo D de dicha norma técnica. Según la tabla 1: Guía de parámetros a evaluar por actividad industrial, comercial, y servicios.

Tabla. 1. Límites máximos permisibles

Fuente: Texto Unificado de Legislación Ambiental – Ecuador, Norma de calidad ambiental y de descarga de efluentes: recurso agua, 2009

CAPÍTULO II

Industria textil

2.1. INTRODUCCIÓN

Los textiles son productos de consumo masivo que se venden en grandes cantidades. La industria textil genera gran cantidad de empleos directos e indirectos y tiene un peso importante en la economía mundial.

La industria textil se divide en los siguientes subsectores:

• Producción de fibras: Las fibras son las materias primas básicas de toda producción textil. Dependiendo de su origen, las fibras son generadas por la agricultura, la ganadería, la química o la petroquímica.

• Hilandería: Es el proceso de convertir las fibras en hilos.

• Tejeduría: Es el proceso de convertir hilos en telas.

• Tintorería y acabados: Son los procesos de teñir y mejorar las características de hilos y telas mediante procesos físicos y químicos.

• Confección: Es la fabricación de ropa y otros productos textiles a partir de telas, hilos y accesorios.

• No tejidos: Producción de telas directamente desde fibras sin pasar por procesos de hilatura y tejeduría.

Esta investigación está dirigida al subsector de tintorería y acabados, ya que es una sección que necesita de la atención de todos los habitantes de la ciudad y con mayor razón de la nuestra.

Esta actividad industrial necesita de un tratamiento de las aguas antes de incorporarlas al sistema de alcantarillado. En muestras de agua tomadas en una tintorería y de acuerdo a los análisis realizados en ETAPA, se pudo determinar que éstas no cumplen la normativa del Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundaria.

A demás del elevado consumo de agua, energía y productos químicos auxiliares, se genera una gran cantidad de agua residual; estos efluentes poseen elevadas concentraciones de colorantes, contaminantes inorgánicos, compuestos químicos sintéticos, materia en suspensión, orgánicos refractarios, tensoactivos y componentes clorados. Por lo tanto, se constituye en uno de los efluentes de más difícil tratamiento.

Los requerimientos normativos, así como la necesidad de ahorrar y reutilizar agua en la industria, hace necesario que se investigue nuevos procesos que permitan mejorar la remoción de componentes difícilmente biodegradables, partículas coloidales, virus, bacterias y que a su vez permitan la posibilidad de la incorporación del efluente en el proceso productivo.

La fuerte coloración de las aguas residuales de las tintorerías que se imparten a los cuerpos de descarga puede llegar a suprimir los procesos fotosintéticos en corrientes de agua, por lo que su presencia debe ser controlada. En general, las moléculas de los colorantes utilizados en la actualidad son estructuras muy variadas y complejas. La mayoría son de origen sintético, muy solubles en agua, altamente resistentes a la acción de agentes químicos y poco biodegradables.

2.1.1. Procesos de la Industria Textil

La industria textil procesa diferentes fibras y debido a la gran diversidad de procesos, productos químicos y maquinaria empleada. Estas fábricas van desde instalaciones artesanales hasta pequeñas fábricas.

Teñido

Esta parte del proceso consta de:

Tinturado o teñido.- Es la etapa más compleja dentro de las operaciones de procesamiento húmedo; involucra una gran variedad de colorantes y agentes auxiliares de teñido como el carbosol y el humectal, éstos proveen el medio químico para su difusión y fijación sobre la fibra. En la actualidad se usan los colorantes directos y sulfurosos en la pequeña industria. En el proceso de teñido la tela debe estar libre de grasas, gomas, minerales e impurezas y tener afinidad con los colorantes.

Fijación.- Este proceso utiliza el peróxido de hidrógeno y el ácido fórmico que permite incrementar la afinidad de los colorantes sobre la fibra.

c. Acabado

Esta parte del proceso contempla:

Suavizado.- El suavizante proporciona esponjosidad. Hace que las prendas sean más fáciles de planchar y ayudan a reducir la aparición de arrugas.

Los ingredientes más importantes de los suavizantes son los tensoactivos catiónicos, habitualmente del tipo amonio cuaternario. Estos tensoactivos se adhieren a las fibras del tejido, proporcionando suavidad. Para realizar este proceso se utilizan 200 litros de agua.

Enjuague.- Es el último tratamiento que recibe la tela en las lavadoras industriales para luego pasar a la centrífuga y/o exprimidoras.

Figura 1. Lavadora industrial

Figur2. Exprimidora

Por último la prenda debe pasar por las secadoras industriales para brindarle propiedades finales de apariencia, suavidad, sin rastros de arrugas y repelencia.

Figura 3. Secadora industrial

En la figura 4. Se muestra un resumen de los distintos procesos que realizan las tintorerías.

Figura 4. Esquema de un proceso típico en la industria textil

En cada proceso se emite una descarga de agua que contribuye en la carga total contaminante y por ende en la composición del agua residual.

Figura 5. Carga residual

La carga contaminante del desengomado está dada por sólidos suspendidos y disueltos, grasas y aceites. Esta etapa contribuye aproximadamente en un 50% del total de sólidos suspendidos producidos por la planta, en la que el desengomado contribuye muy poco o nada a la alcalinidad/acidez de las corrientes residuales.

En el encimado se produce cantidad de sólidos totales por la piedra pómez usada. El ácido acético que se utiliza puede causar irritación de nariz, garganta, y el contacto con la piel puede producir quemaduras severas. También puede ocasionar irritación en los ojos.

El aporte a la carga contaminante de los procesos de teñido o tinturado es muy significativo y depende del tipo de colorante utilizado, por lo general se presentan altas cantidades de sólidos suspendidos y altas cantidades de DQO y DBO5; y como ya se había mencionado anteriormente los colorantes afectan severamente el agua de ríos y lagos, pues las distintas tonalidades impiden el paso de la luz solar, la cual es importante para llevar a cabo el proceso fotosintético.

La fijación es realizada con peróxido de hidrógeno, este debe ser manejado con cuidado ya que puede causar efectos en el sistema nervioso central, irritación severa en los tractos respiratorio y digestivo e irritación en la piel con posibles quemaduras. Además que el ácido fórmico es de olor irritante y debe tenerse precaución de no tener contacto con la piel ya que causa ampollas dolorosas que se revientan y sangran.

2.1.2. Características de las Aguas Residuales de la Industria Textil

"De los 200 mil millones de m3 de agua dulce disponible para la industria a nivel mundial, 2.5 mil millones de m3 es decir el 1.25% corresponde a industrias textiles, la cual estará altamente contaminada después de los procesos." (Adriana Aristizabal, Catalina Bermúdez, 2007).

Para la fabricación de una tonelada de producto textil se consume alrededor de 200 toneladas de agua y del total de productos químicos utilizados cerca del 90% es vertido como desecho después de cumplir su misión. Las aguas residuales textiles son irregulares y variables en su composición ya que dependen de la unidad de proceso y la operación que se efectúe. Las industrias textiles son contaminantes en términos de volumen y complejidad de sus efluentes ya que cada una de las actividades que realizan genera agua residual de características muy variables; para tener una idea del tipo de impacto ambiental que tendrán estas aguas residuales, se ha tomado la muestra más común y más contaminante dentro del proceso de tinturado cuya base principal es el colorante negro sulfuroso, para luego ser analizado en los laboratorios de ETAPA.

En la figura 6. Se clasifican los contaminantes de las aguas residuales textiles y sus efectos.

Figura 6. Clasificación general de los contaminantes de las industrias textiles

Fuente: (Adriana Aristizabal, Catalina Bermúdez, 2007)

2.2. ELECTROQUÍMICA

2.2.1. Definición.- Es una rama de la química que estudia la transformación entre la energía eléctrica y la energía química. En otras palabras, las reacciones químicas que se dan en la interfase de un conductor eléctrico (llamado electrodo, que puede ser un metal o un semiconductor) y un conductor iónico (el electrolito) pudiendo ser una disolución y en algunos casos especiales, un sólido. Si una reacción química es conducida mediante una diferencia de potencial aplicada externamente, se hace referencia a una electrólisis.

Las reacciones químicas donde se produce una transferencia de electrones entre moléculas se conocen como reacciones redox, y su importancia en la electroquímica es vital, pues mediante este tipo de reacciones se llevan a cabo los procesos que generan electricidad o en caso contrario, son producidos como consecuencia de ella.

En general, la electroquímica se encarga de estudiar las situaciones donde se dan reacciones de oxidación y reducción encontrándose separadas, físicamente o temporalmente, se encuentran en un entorno conectado a un circuito eléctrico. Esto último es motivo de estudio de la química analítica, en una sub-disciplina conocida como análisis potencio-métrico.

La electroquímica estudia los cambios químicos que producen una corriente eléctrica y la generación de electricidad mediante reacciones químicas. Es por ello, que el campo de la electroquímica ha sido dividido en dos grandes seccio nes. La primera de ellas es la electrólisis, la cual se refiere a las reacciones químicas que se producen por acción de una corriente eléctrica. La otra sección se refiere a aquellas reacciones químicas que generan una corriente eléctrica, éste proceso se lleva a cabo en una celda o pila galvánica.

Figura 7. Reacciones electrolíticas

Fuente: Fundación Educativa Héctor García

2.2.2. Principios

2.2.2.1 Reacciones de Reducción-Oxidación

Las reacciones de reducción-oxidación son las reacciones de transferencia de electrones. Esta transferencia se produce entre un conjunto de elementos químicos, uno oxidante y uno reductor (una forma reducida y una forma oxidada respectivamente). En dichas reacciones la energía liberada de una reacción espontánea se convierte en electricidad o bien se puede aprovechar para inducir una reacción química no espontánea.

2.2.2.2. Celdas Electrolíticas

Son aquellas en las cuales la energía eléctrica, que procede de una fuente externa provoca reacciones químicas no espontáneas generando un proceso denominado electrólisis. Las celdas electrolíticas constan de un recipiente para el material de reacción, dos electrodos sumergidos dentro de dicho material y conectados a una fuente de corriente directa.

Figura 8. Celdas electrolíticas

Fuente: (Secretaría de Educación Pública)

2.2.2.3. Celdas Electroquímicas

Celdas voltaicas o galvánicas son celdas electroquímicas en las cuales las reacciones espontáneas de óxido-reducción producen energía eléctrica. Las dos mitades de la reacción de óxido reducción, se encuentran separadas, por lo que la transferencia de electrones debe efectuarse a través de un circuito externo.

Es el dispositivo utilizado para la descomposición mediante corriente eléctrica de sustancias ionizadas denominadas electrolitos. También se conoce como celda galvánica o voltaica, en honor de los científicos Luigi Galvani y Alessandro Volta, quienes fabricaron las primeras de este tipo a fines del S. XVIII. (Wikipedia, 2010).

La celda electroquímica o voltaica se basa en la separación física de los agentes oxidantes y reductores. Un puente electrolítico une las secciones separadas de modo que los iones pueden fluir aun cuando la transferencia de electrones no pueda ocurrir directamente. El voltaje producido actúa como fuerza impulsora para el movimiento de los electrones por un conductor externo. Este flujo de electrones se puede aprovechar como en cualquier batería.

La tendencia de los iones y átomos a oxidarse o reducirse es una propiedad química peculiar a la estructura del átomo o ion. Cuando una substancia que pierde electrones con facilidad (oxidación) se acopla a una que atrae con fuerza electrones (reducción), se dispone de dos componentes de una buena pila voltaica.

2.2.2.4 Electrólisis

Figura 9. Electrólisis

Fuente http://www.fisicanet.com.ar/fisica/tp05_muv_problema02.php

La electrólisis es un proceso para separar un compuesto en los elementos que lo conforman, usando para ello la electricidad.

La electrólisis como proceso de Óxido – Reducción: Se tiene un recipiente o cuba electrolítica compuesta por dos electrodos inertes conectados a una fuente de corriente. Al colocar una solución electrolítica en el recipiente y hacer pasar una corriente eléctrica, los iones positivos de la solución se mueven hacia el cátodo (cationes) y los iones negativos hacia el ánodo (aniones). La reducción ocurre en el cátodo y la oxidación en el ánodo.

El electrodo conectado al polo negativo se conoce como cátodo, (aleación de hierro) y el conectado al positivo como ánodo, (aleación de aluminio).

Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones negativos, o aniones, son atraídos y se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo), mientras que los iones positivos, o cationes, son atraídos y se desplazan hacia el cátodo (electrodo negativo).

La descomposición del líquido conductor no se manifiesta en toda su masa, sino únicamente en los puntos de entrada y salida de la corriente.

El líquido conductor se llama electrolito; los conductores metálicos, generalmente en forma de placa, necesarios para hacer llegar la corriente al líquido, son llamados electrodos designándole con el nombre de ánodo (+) aquel por donde penetra la corriente y cátodo (-) aquel por donde sale. (Licencia Creative Commons Reconocimiento Compartir Igual 3.0, 2010)

.2.2.5 Electrodos

Figura 10. Electrodos

Fuente: http://www.index.com/content&view_category&id_233&Itemid

Un electrodo es una placa de membrana rugosa de metal, un conductor utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito, por ejemplo un semiconductor, un electrolito, el vacío (en una válvula termoiónica), un gas (en una lámpara de neón), etc.

2.2.2.6 Electrolito

Figura 11. Electrolito

Fuente http://www.fisicanet.com.ar/fisica/tp05_muv_problema02.php

Un electrolito o electrólito es cualquier sustancia que contiene iones libres, los que se comportan como un medio conductor eléctrico.

Debido a que generalmente se forman de iones en solución, los electrólitos también son conocidos como soluciones iónicas, pero también son posibles electrolitos fundidos y electrolitos sólidos.

Cuando se colocan electrodos en un electrólito y se aplica un voltaje, el electrólito conducirá electricidad. Los electrones solos, normalmente no pueden pasar a través del electrólito; en vez de ello, una reacción química sucede en el cátodo, consumiendo los electrones del cátodo, y otra reacción ocurre en el ánodo, produciendo electrones para ser capturados por el ánodo. Como resultado, una nube de carga negativa se desarrolla en el electrólito alrededor del cátodo, y una carga positiva se desarrolla alrededor del ánodo. Los iones en el electrólito se mueven para neutralizar estas cargas para que las reacciones puedan continuar y los electrones puedan seguir fluyendo.

2.2.3. Corriente Eléctrica y Movimiento de Iones

La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos se ionizan al fundirse o cuando se disuelven en agua u otros líquidos; es decir, sus moléculas se disocian en especies químicas cargadas positiva y negativamente que tienen la propiedad de conducir la corriente eléctrica. Si se coloca un par de electrodos en una disolución de un electrólito (compuesto ionizable) y se conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la disolución se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos hacia el positivo. Al llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder electrones y transformarse en átomos neutros o moléculas; la naturaleza de las reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o voltaje aplicado.

2.2.4. Métodos Electroquímicos de Tratamiento de Aguas Residuales

La búsqueda de nuevos tratamientos para combatir la contaminación ambiental, ha llevado a los científicos a considerar la utilización de los métodos electroquímicos para transformar y remover los contaminantes de efluentes.

Los métodos electroquímicos de tratamiento de aguas residuales como la electroflotación, electro decantación y la electrocoagulación, involucran el uso de una celda electrolítica y un par de electrodos metálicos a través de los cuales se hace circular una corriente eléctrica. Sistemas electroquímicos pequeños son viables y en vez de usar reactivos químicos y microorganismos, el sistema emplea electrones para realizar el tratamiento. Estos métodos utilizan una instrumentación robusta y compacta, fácil de conseguir que ofrezcan la posibilidad de una fácil distribución y potencialmente pueden reemplazar procesos sofisticados, ya que requieren contenedores de poca capacidad. Entre las ventajas de los métodos electroquímicos se encuentran los beneficios ambientales, de compatibilidad, versatilidad, eficiencia de energía, seguridad, selectividad, facilidad de automatización del proceso y bajos costos. Los métodos electroquímicos han sido estudiados pero pocos autores se han enfocado en las variables que son cruciales para el mejoramiento del desempeño de estas aplicaciones.

De todas las técnicas electroquímicas conocidas se tiene mayor interés en emplear la electrocoagulación como método de tratamiento de aguas residuales que contengan metales pesados, residuos de grasa, tintes textiles, partículas suspendidas, suspensiones acuosas de partículas ultra finas, nitratos, fenoles, arsénico y contaminantes orgánicos, y se emplea para potabilizar agua.

2.2.4.3. Electrocoagulación (ADRIANA ARISTIZÁBAL CASTRILLÓN, 2007)

La electrocoagulación es un método electroquímico de tratamiento de aguas contaminadas donde un electrodo de sacrificio se corroe para que se lleve a cabo la coagulación. La electrocoagulación es un proceso complicado que envuelve varios mecanismos químicos y fenómenos físicos, que emplea electrodos consumibles para suplir iones en el agua residual.

Un proceso de electrocoagulación involucra tres etapas sucesivas:

Formación de los coagulantes por oxidació n electrolítica del electrodo de sacrificio.

Desestabilización de los contaminantes, partículas suspendidas y rompimiento de la emulsión.

Agregación de las fases desestabilizadas para formar flocs.

El mecanismo de desestabilización de los contaminantes, partículas suspendidas y del rompimiento de emulsión se describe a continuación:

Compresión de la doble capa difusiva alrededor de las especies cargadas por la

interacción de los iones generados por la oxidación del ánodo de sacrificio.

Neutralización de las cargas de las especies iónicas presentes en el agua residual ocasionada por los iones coagulantes producidos por disolución electroquímica del ánodo de sacrificio. Estos iones coagulantes reducen la repulsión electrostática entre partículas lo que causa la coagulación y de este proceso resulta una carga neta igual a cero.

Los flocs que se forman como resultado de la coagulación crean una capa de lodos que atrapa y conduce las partículas coloidales que permanecen en el medio acuoso.

Las siguientes reacciones fisicoquímicas tienen lugar en una celda de electrocoagulación:

Reducción catódica de las impurezas presentes en el agua residual.

Descarga y coagulación de las partículas coloidales.

Migración electroforética de iones en solución.

Electroflotación de las partículas coaguladas ocasionada por las burbujas de

hidrógeno y oxígeno producidas por los electrodos.

Reducción de los iones metálicos en el cátodo.

Otros procesos químicos y electroquímicos.

CAPÍTULO III

Sistema de electrocoagulación

3.1. CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE ELECTROCOAGULACIÓN

3.1.1. Celda Electrolítica

Una celda electrolítica es básicamente un recipiente que consta de un líquido conductor llamado electrolito o solución electrolítica, además de dos electrodos que se encuentran sumergidos en el mismo. (Ver figura 8 del capítulo anterior.).

La celda como tal no sirve como fuente de energía eléctrica, pero puede conducir corriente continua desde una fuente externa, la misma que alimenta a los electrodos.

La energía eléctrica que brinda la fuente de poder se convierte en energía química por medio de las placas metálicas que reaccionan directamente con el electrolito.

3.1.2. Cuba Electrolítica

En nuestra investigación, se usó una cuba de vidrio del laboratorio de Electroquímica, la misma que tiene una capacidad de 2 litros, que posee lugar para 6 placas, llave para eliminar floculos. Para la utilización de la cuba de vidrio se tomaron en cuenta dos factores la capacidad de la fuente y la cantidad de solución que se necesita para la práctica.

3.1.3. Fuente de Poder

Fuente de poder o de alimentación es un dispositivo que convierte las tensiones alternas de la red de suministro, en una o varias tensiones, prácticamente continuas. Para esto consta de un rectificador, fusibles y otros componentes que le permiten recibir la electricidad, regular, filtrarla y adaptarla a las necesidades del aparato electrónico al que se conecta.

3.1.4.1. Dimensiones, Disposición y Descripción de los Electrodos

a. Material de los electrodos

Para el trabajo de investigación se utilizaron electrodos de aleación de hierro por las siguientes razones:

• Disponibilidad de metales.

• Son materiales relativamente baratos.

b. Dimensiones y disposición de los electrodos

Los electrodos se diseñaron como placas dispuestas en paralelo. Las medidas de los electrodos deberán de tener la mayor área superficial posible en concordancia con la cuba de vidrio. La una distancia de 3 cm entre las placas.

c. Descripción de los electrodos

i. Aleación del hierro

Se considera que acero es una aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2,0% de carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar a diferencia de los aceros, se moldean.

La ingeniería metalúrgica trata al acero como una familia muy numerosa de aleaciones metálicas, teniendo como base la aleación hierro-carbono. El hierro es un metal relativamente duro y tenaz, con temperatura de fusión de 1.535 °C y punto de ebullición

2.740 °C. Mientras el carbono es un no metal, blando y frágil en la mayoría de sus formas alotrópicas (excepto en la forma de diamante en que su estructura cristalográfica lo hace el más duro de los materiales conocidos).