Electrocoagulación: ventajas y desventajas para procesos industriales

Introducción

La utilización de electricidad para tratar aguas residuales tiene una larga tradición, siendo utilizada por primera vez  en Inglaterra en 1889. La utilización de procesos electrolíticos en la recuperación de metales fue patentada por Elmore en 1904 y el proceso de electrocoagulación  (EC) con aluminio y hierro fue patentado en Estados Unidos en 1909. La primera utilización a gran escala de la EC para el tratamiento de aguas potables fue en 1946. Dado al relativo alto coste de las instalaciones y el alto consumo en energía eléctrica estas tecnologías no tuvieron una buena aceptación en esa época, no obstante distintos países como Estados unido o la antigua Unión soviética  continuaron con las investigaciones durante los siguientes años lo que permitió  acumular una gran experiencia y conocimiento sobre estos procesos. La promulgación de leyes cada vez más estrictas concernientes a los límites de vertido de distintas sustancias en las aguas residuales así como la mejora en los estándares de calidad del agua potable han hechos que las procesos electroquímicos ganen cada vez más importancia en las últimos dos décadas y hoy en día hay compañías que suministran sistemas electroquímicos para la recuperación de metales, tratamiento de aguas provenientes de procesos textiles, curtidurías, papeleras, tratamiento de aguas residuales con alto contenido en aceite o emulsiones aceite-agua. Hoy en día 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 utilizan 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.

OBJETIVOS

• Determinar métodos electroquímicos que se pueden aplicar en el tratamiento de aguas residuales preferentemente en el campo industrial.

• Comparar los procesos electroquímicos con los procesos químicos y ver sus ventajas y desventajas.

• Analizar las ventajas y desventajas del proceso de Electrocoagulación

Desarrollo del tema

A continuación se verán brevemente los distintos procesos electroquímicos empleados en el tratamiento de agua.

• Electrodeposición

La recuperación electroquímica de metales presentes en el agua proveniente de procesos industriales, se lleva aplicando desde hace mucho tiempo, el primer caso registrado data del siglo XVII. Esta recuperación es de gran importancia tanto desde el punto de vista medioambiental como económico.. El mecanismo de recuperación de metales es muy simple, básicamente una deposición en el cátodo (reducción) del tipo 

Los mayores progresos en estos procesos se han realizado en la técnica de recuperación del metal depositado, así como mejoras en la eficiencia de la corriente, es decir metal depositado por unidad de corriente. Como cátodo se puede utilizar un cátodo del mismo metal a recuperar o grafito aplicada.

Figura 1: Electrodeposición de Ag

• Electrocoagulación

El proceso de electrocoagulación implica la generación del coagulante disolviendo electrolíticamente ánodos de  aluminio o hierro para formar los respectivos cationes Al+3, Fe+2.

Los ánodos empleados se llaman ánodos de castigo ya que se consumen en el proceso. En el cátodo se produce hidrógeno a partir de los protones, éste se libera como pequeñas burbujas que suben a la superficie. Este hidrogeno generado puede ayudar a que las partículas floculadas floten en la superficie recogiéndose de ésta con un rascador.

Las principales ventajas de la electrocoagulación respecto a la coagulación clásica es la mayor eficiencia de los cationes nacientes de aluminio y hiero generados frente a los provenientes de productos químicos tradicionales como sulfato de aluminio o hierro, equipos más compactos, menor costo, posible automatización y menor generación de sales y residuos.

Figura 2: Diagrama de Electrocoagulación

• Electroflotación.

El proceso de electroflotación (EF) es un proceso simple por el cual los contaminantes flotan en la superficie del agua adsorbidos sobre las pequeñas burbujas de hidrógeno y oxígeno generadas respectivamente en el cátodo y en el ánodo en el proceso de descomposición electrolítica del agua. La eficiencia del proceso de flotación está fundamentalmente determinada por el tamaño de las burbujas generadas, son preferibles las burbujas pequeñas ya que proporcionan una mayor superficie de contacto para la adsorción de las partículas a eliminar. Esta una de las principales ventajas del proceso de EF respecto a otros procesos de flotación clásicos como DAF (dissolved air flotation). El 90 % de las burbujas generadas en EF tienen un tamaño entre 15 y 45 µm mientras que en el proceso DAF el tamaño oscila entre 50 y 70 µm.

• Electrooxidación

Los procesos de EO son los más interesantes y sus estudios se remontan a finales del siglo XIX, cuando se estudio la descomposición química de cianuro. La idea básica de estos procesos es la oxidación total (mineralización) o parcial (conversión de la materia orgánica a compuestos más sencillo más fácilmente degradables y menos contaminantes) de la materia orgánica utilizando la corriente eléctrica. Estos procesos están íntimamente relacionados con procesos anódicos. La oxidación se divide en dos, directas  en este caso el contaminante es oxidado directamente en la superficie del ánodo mediante la generación  de oxigeno activo fisisorbido en la superficie del ánodo (radicales hidroxilo OH· adsorbidos en la superficie del ánodo) o oxigeno activo quimisorbido en la superficie del ánodo (oxigeno en la red del óxido de metal del ánodo MOx+1 ) El primero de estos procesos , oxígeno activo fisisorbido produce la combustión completa de los compuestos orgánicos, mientras que el oxigeno activo quimisorbido produce una oxidación parcial de los compuestos orgánicos.

Indirectos, la oxidación no ocurre en la superficie del ánodo, en estos casos en el ánodo se generan especies oxidantes como peróxido de hidrógeno, ozono o cloro, proveniente de la oxidación de los cloruros presentes en el agua, que son liberados al agua y son éstos los que realmente oxidan a la materia orgánica presente en el agua.

En el caso de reacciones directas el principal inconveniente viene dado por la reacción de  oxidación de agua para generar oxígeno ya que esta reacción tiene lugar sobre el ánodo, teniendo en cuenta que el agua es el disolvente y está en mayor concentración que el contaminante esta reacción se vería favorecida  lo que ralentizaría o evitaría la reacción deseada de oxidación de materia orgánica, disminuyendo la eficiencia de la corriente empleada. Esto se puede evitar parcialmente usando ánodos con materiales con un alto sobrepotencial de oxigeno, es decir materiales  que necesitan un mayor potencial eléctrico para sobrepasar la energía de activación  para la producción de oxigeno molecular. Los materiales más estudiados han sido Pt (1,3 V potencial de formación de oxigeno), PbO2 (1,9 V), SnO2 (1,9 V), IrO2 (1,6 V) y últimamente electrodos de capas de diamante dopado con boro (BDD) sobre distintos materiales conductores como silicio, niobio o titanio donde dependiendo del espesor de la capa de BDD y la cantidad de boro usado como dopante se alcanzan valores de hasta 2,8 V.

Figura 3: Celda Electrolítica de Electrooxidación

• Electrodesinfección

En este tipo de reacción es similar a la oxidación indirecta, en el ánodo se genera cloro gas por la oxidación de los iones cloruros, que disuelto en el agua genera hipoclorito/hipocloroso,  el verdadero desinfectante. La mayor parte de las aguas contienen suficiente cantidad de iones cloruro para lograr la desinfección.

Veamos el proceso de la electrocoagulación más afondo desde el punto de vista industrial y económico para la aplicación de desechos de aguas industriales.

• Ventajas de la electrocoagulación

• El costo de operación son menores comparativamente con los de procesos convencionales usando polímeros.

• Requiere de equipos simples y de fácil operación.

• Elimina requerimientos de almacenamiento y uso de productos químicos.

• Genera lodos más compactos y en menor cantidad, lo que involucra menor problemática de disposición de estos lodos.

• Produce flóculos más grandes que aquellos formados en la coagulación química y contienen menos agua ligada.

• Alta efectividad en la remoción de un amplio rango de contaminantes.

• Purifica el agua y permite su reciclaje.

• El paso de la corriente eléctrica favorece el movimiento de las partículas de contaminante más pequeñas, incrementando la coagulación.

• Reduce la contaminación en los cuerpos de aguas.

• El agua tratada por electrocoagulación contiene menor cantidad de sólidos disueltos que aquellas tratadas con productos químicos, situación que disminuye los costos de tratamiento de estos efluentes en el caso de ser reusados.

• Puede generar aguas potables, incoloras e inodoras.

• Los contaminantes son arrastrados por las burbujas a la superficie del agua tratada, donde pueden ser removidos con mayor facilidad.

• Desventajas de la electrocoagulación

Las principales desventajas del proceso de electrocoagulación son:

• Es necesario reponer los electrodos de sacrificio.

• Los lodos contienen altas concentraciones de hierro y aluminio, dependiendo del material del electrodo de sacrificio utilizado.

• Puede ser un tratamiento costoso en regiones en la cuales el costo de la energía eléctrica sea alto.

• El óxido formado en el ánodo puede, en muchos casos, formar una capa que impide el paso de la corriente eléctrica, disminuyendo de esta forma la eficiencia del proceso.

Mecanismo de electrocoagulación

Durante la electrólisis ocurren una serie de procesos físicos y químicos que permiten la remoción de los contaminantes. Estos procesos se describen de la siguiente manera:

En los electrodos hay iones positivos y negativos. El ánodo provee los iones metálicos y se va disolviendo, por eso es llamado electrodo de sacrificio, mientras que el cátodo permanece sin disolverse.

Los iones producidos desestabilizan las cargas de partículas contaminantes del agua, hasta neutralizarlos, donde los sistemas que mantiene las partículas en suspensión desaparecen permitiendo la formación de agregados de los contaminantes e iniciando el proceso de coagulación.

Los iones que proveen los electrodos desencadenan un proceso de eliminación de contaminantes que puede darse por dos vías: la primera por reacciones químicas y precipitación y la segunda por procesos agregación de coloides que pueden flotar o precipitar dependiendo de su densidad.

En resumen, el proceso de electrocoagulación se da en tres etapas: inicialmente se forma el coagulante por oxidación electrolítica del metal del ánodo, luego se da la desestabilización de los contaminantes y emulsiones y, finalmente se produce la formación de flóculos por agregación de partículas de contaminante o adsorción de éstas en el coagulante.

REACCIONES INVOLUCRADAS

Los materiales más comúnmente utilizados como electrodos son hierro y aluminio, por ello se trataran las reacciones con estos compuestos.

Mecanismo I: Formación del hidróxido férrico

Luego la formación de los hidróxidos de hierro los coloides se aglomera, especialmente aquellos con carga negativa y posteriormente otras partículas de contaminantes interactúan con estos aglomerados, siendo removidos por formación de complejos o atracciones electrostáticas.

Cuando el aluminio actúa como ánodo, las reacciones son las siguientes:

Factores que afectan a la electrocoagulación

Son muchos los factores que intervienen en el proceso de electrocoagulación y los que tienen mayor importancia se los describe a continuación:

• pH:

El pH influye sobre la eficiencia de la corriente en el proceso de solubilidad del metal para formar hidróxido, y varía durante el proceso de la electrocoagulación ya que depende del material de los electrodos y del pH inicial del agua a tratar: en aguas residuales ácidas se incrementa y en aguas residuales alcalinas disminuye durante el proceso. Las mejores remociones se han obtenido para valores de pH cercanos a 7.

• Densidad de corriente:

El suministro de corriente al sistema de electrocoagulación determina la cantidad de iones de aluminio Al3+ o hierros Fe2+ liberados por los respectivos electrodos. La eficiencia en la remoción y el consumo de energía se incrementan con el aumento en la densidad de corriente. Un aumento de la densidad de corriente genera un aumento de la remoción de contaminante, pero una densidad de corriente demasiado grande produciría una disminución significativa en la eficacia.

• Conductividad:

Un incremento en la conductividad eléctrica genera a su vez un incremento en la densidad de corriente, además la adición de algunos electrolitos como NaCl o CaCl2 generan un aumento en la conductividad del agua residual y disminuyen los efectos de iones como HCO3- y SO42-, pues precipitan con Ca2+ y Mg2+.

• Temperatura:

Los efectos de la temperatura sobre la electrocoagulación no han sido muy investigados, pero se han encontrado que la eficiencia en la corriente se incrementa inicialmente hasta llegar a 60ºC, punto donde se hace máxima para luego decrecer. El incremento de la eficiencia con la temperatura es atribuida al incremento en la actividad de destrucción de la película de óxido de aluminio de la superficie del electrodo.

Aspectos operacionales de la electrocoagulación

Las condiciones de operación de un sistema de electrocoagulación son altamente dependientes de las condiciones químicas, pH, tamaño de partículas del aguas residuales requiere aplicaciones baja de voltaje (menor de 50 voltios) con amperaje variable, de acuerdo a las características del agua. Entre estas condiciones tenemos:

Consumo de energía: Depende del tipo de agua a tratar y varía entre 0.1 a 1.0 kW-h/m3.

Desgaste de electrodos: El desgaste del material está relacionado con el amperaje aplicado al sistema y el tiempo de residencia del agua residual en la celda de electrocoagulación. Se estima un mínimo reemplazo de los electrodos de una a dos veces por año.

Condiciones de operación: Generalmente los sistemas de electrocoagulación funcionan en forma automática, mediante controles electrónicos

Producción de lodos: La generación de lodos está relacionado directamente con el nivel de contaminación del agua residual y de las especies catiónicas disueltas.

Patente:

10.1. PROCESO DE ELECTROCOAGULACIÓN PARA REGENERACIÓN DE AGUA DEPURADA"

La presente invención se refiere a un proceso para regenerar aguas depuradas, basado en la electrocoagulación del agua. Por tanto, la invención se podría encuadrar en el campo de la regeneración de aguas depuradas para su reutilización, más concretamente en la eliminación de turbidez, sólidos en suspensión, Escherichia coli y de nematodos intestinales requerida por la legislación actual para distintas aplicaciones.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La coagulación asistida electroquímicamente, o electrocoagulación (EC) es un proceso electroquímico en el que a partir de compuestos procedentes de la disolución de un ánodo, se agrupa la materia coloidal existente en un agua residual, posibilitando su conversión en sólidos suspendidos, y su separación del agua mediante técnicas convencionales de separación sólido/líquido tales como la decantación, flotación y/o filtración. Como consecuencia de su disolución, los ánodos van desapareciendo conforme transcurre el tratamiento, llegando un momento en el que es necesaria su reposición (ánodos de sacrificio).

Un factor importante ligado al proceso de coagulación química y electroquímica es la posibilidad de eliminar otros contaminantes, distintos de la materia coloidal. Así, las partículas generadas en estos procesos (precipitados o flóculos) tienen capacidad de adsorber otros contaminantes presentes en el agua, tales como materia orgánica y cationes metálicos o aniones, por lo que esta tecnología también puede ser empleada para la eliminación de estos contaminantes. En este sentido, se ha descrito la eliminación de fluoruros y de nitratos. Asimismo, los precipitados y flóculos pueden unirse a especies que precipiten como consecuencia de la adición del reactivo, posibilitando así la eliminación de algunas macromoléculas orgánicas.

Ejemplos de este tipo de tratamiento son la eliminación de colorantes en el tratamiento de efluentes residuales procedentes de industrias textiles, o la eliminación de compuestos fenólicos presentes en efluentes de industrias petroquímicas.

Descripción De La Invención

De esta forma, la presente invención proporciona un método para regenerar aguas residuales depuradas basado en el empleo de electrocoagulación con ánodos con contenido en hierro y/o aluminio, que permite la eliminación simultánea de turbidez y la eliminación de Escherichia coli y de nematodos intestinales. Además, y debido a la baja solubilidad de los fosfatos de aluminio y de hierro, este tratamiento hace que esta tecnología sea muy adecuada para eliminar este contaminante de las aguas, eliminación que ocurrirá simultáneamente con la electrocoagulación de la materia coloidal, en el mismo reactor. En este sentido, conviene tener claro que el tratamiento tiene que ser combinado dentro del mismo compartimento o en compartimentos separados con un sistema de sedimentación-flotación y filtración, para garantizar la eliminación de los sólidos en suspensión. Por tanto, con el método de la presente invención no se precisa la adición de agentes coagulantes externos, y es capaz de regenerar agua en una única etapa, es decir, capaz de llevar a cabo la electrocoagulación y la desinfección del agua de forma simultánea.

Por tanto, un aspecto de la presente invención se refiere a un proceso que comprende la electrocoagulación y desinfección de agua de microorganismos en una etapa en al menos una celda electrolítica donde el material anódico comprende hierro, aluminio o una mezcla de ambos.

10.2. Sistema de tratamiento de purines mediante Electrocoagulación y electroxidación

Resumen

El sistema se basa en bombear el purín procedente de las convencionales balsas de almacenamiento de las instalaciones o granjas de porcino, hacia un separador de sólidos-líquidos, obteniéndose por una parte sólido que puede utilizarse como abono fertilizante, y una fase liquida que es sometida a un proceso de floculación, donde los lodos obtenidos en este proceso se hacen pasar por un filtro-prensa y el liquido es llevado a un equipo de electrocoagulación, donde se produce la electrolisis del agua, dentro del mismo equipo se produce la separación de fangos flotantes, fangos precipitados y el agua clarificada. Esta agua es apta para riego ya que contiene su fertilizante natural incluido, los fangos flotantes son llevados al filtro prensa, y el agua clarificada que no se utilice para riego es llevada a un deposito para su mejor tratamiento en la fase posterior. El fluido se somete a un proceso de electro-oxidación, filtraje y finalmente a un proceso de ósmosis para separar las sales y resto de impurezas respecto del agua y así obtener un líquido totalmente limpio.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como es sabido, los purines son la mezcla de heces, orines y del agua de lavado de los boxes o cochiqueras que se utilizan en granjas de porcinos, siendo obligatoria la existencia de una balsa de purines, hasta la que son canalizados éstos desde los diferentes puntos en los que se generan, de manera que la capacidad de la balsa será la adecuada en función del número de animales de la granja, para efectuar un vaciado periódico suficientemente distanciado en el tiempo.

En el tratamiento y eliminación de purines se consigue obtener abonos mediante los que se rocían los campos con la colaboración de una cisterna arrastrada por un tractor, lo que obliga a disponer de gran cantidad de suelo para dosificar convenientemente el purín, obligando además a que dicho suelo esté disponible en el momento en el que hay que hacer el vaciado de la balsa.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El sistema que se preconiza se basa en un proceso de tratamiento de purines, iniciándose el tratamiento con el bombeo de los purines desde la correspondiente balsa de almacenamiento de la propia granja, constantemente en agitación mediante un agitador para mantener el purín homogeneizado conduciéndolo hasta un separador filtro prensa de sólidos-líquidos, obteniéndose un sólido con un 25-35% de humedad y un efluente con partículas entre 0,5-0,2 mm, según tamiz, el sólido obtenido entorno al 10% es utilizado como componente en la fabricación de compost y abonos solidos, enviándose a una zona de almacenaje de sólidos, efectuándose finalmente con esos sólidos una fase de secado en caso de que fuera preciso, pudiéndose realizar dicho secado de forma natural al aire libre o mediante aire forzado (método aerobico).

Por su parte, el purín líquido obtenido en el separador, es sometido a un proceso físico-quimico de coagulación-floculación – mediante un equipo de flotación DAF , donde por medio de micro burbujas de aire disuelto se hacen flotar los flóculos obtenidos a la superficie del tanque siendo retirados los lodos formados mediante un sistema de rasquetas móviles. En dicho proceso de coagulación-floculación – se inyecta a la entrada del equipo DAF el coagulante sintético en un mezclador purin/coagulante para la mezcla continua y homogénea del purín con el coagulante. Dicho coagulante no modifica ni PH, ni el contenido en cloruros del resultado final.

l efluente debidamente coagulado pasa al reactor de floculación donde se dosifica el floculante (copolimero cationico de acrilamida en dispersión acuosa) tipo cationico de baja ionicidad y con peso molecular alto. En este reactor es agitado lentamente a bajas revoluciones para la formación de los floculos y conducido al tanque de flotación por aire disuelto, donde se obtiene un clarificado y un lodo, este lodo es trasvasado a un filtro prensa para su deshidratacion, siendo mezclados con los sólidos obtenidos en el proceso de separación sólido-líquido.

El efluente obtenido en el tanque DAF se hace pasar por un equipo de electrocoagulación, comprendiendo este equipo tres partes bien diferenciadas, una correspondiente a lo que se denomina cabezal, formado por un ánodo y un cátodo, otra correspondiente a un sistema de separación de fangos, y otra correspondiente a un sistema de dosificación de floculante, de manera que entre el ánodo y el cátodo del equipo de electrocoagulación se hace pasar el efluente produciéndose a su paso la electrólisis del mismo siendo ésta recogida en la parte inferior del equipo mediante un embudo cónico.

El agua tratada fluye hacia el sistema de separación de fangos, donde se almacena en un depósito de agua tratada y se realiza la separación entre fangos flotantes, fangos precipitados y agua clarificada, siendo los fangos flotantes retirados por rebose y conducidos al filtro prensa existente anteriormente, mientras que los fangos precipitados son vaciados, mediante una válvula automática instalada en el fondo del depósito y el agua tratada, se extrae automáticamente mediante un control de nivel electrónico.

Mediante el tratamiento electroquímico, en el que mediante una corriente eléctrica que atraviesa el fluido a tratar y con la colaboración de un ánodo de sacrificio, se generan compuestos químicos que separan o reducen o eliminan muy notablemente los sólidos, DQO ,nitrógeno, fosforo, metales pesados, etc .. En este punto de tratamiento del purín, se obtiene agua apta para limpieza o uso como fertilizante liquido, con los siguientes valores:

Reducción ±90% del nitrógeno total.

– Reducción del fósforo, superior al 99%.

– Reducción de metales pesados, superior al 99%.

– Eliminación de virus, bacterias, parásitos, ecoli, legionela, etc.

– Eliminación de pesticidas y fitosanitarios.

– Eliminación de materia orgánica, olor, color, sólidos.

Detalles:

Numero de publicación:WO2013007847 A1

Tipo de publicación: Aplicación

Número de aplicación:PCT/ES2012/070466

Fecha de Publicación: 17 de Enero del 2013

Inventores: VALERO Jesús LONGARES,

VALERO Pilar LONGARES

VALERO J. Ignacio LONGARES

VALERO Francisco LONGARES

Conclusión

El tratamiento de electrocoagulación puede ser considerado como una alternativa de tratamiento para aguas residuales textiles conteniendo colorantes directos, ya que permite en tiempos cortos eliminar el color y reducir la DQO

A pesar de ser un proceso aparentemente efectivo se debe tener ciertas consideraciones al momento de aplicar esta técnica ya que su eficiencia depende del tratamiento previo de la agua a ser tratada, controlando su respectivo pH, temperatura, acides, dureza, etc. pasos previamente propuesto en los efectos que interfieren en la electrocoagulación.

La electrocoagulación es un proceso sumamente eficiente y fácil de aplicar o para el tratamiento de aguas residuales. Como se observa a lo largo la turbidez se redujo hasta un 98 %, la DQO hasta en un 83 % y el OD hasta en un 79 %.

11.4. Sería necesario realizar estudios posteriores con o la mayor énfasis en la concentración de H2 O2 para determinar la concentración óptima, así como los efectos de escalado de dichas reacciones.

Bibliografía

RESTREPO, Ana; GARCÉS, Luis y otros. Artículo de revisión. "La Electrocoagulación: retos y oportunidades en el tratamiento de aguas". Linea de investigación: Tratamiento de aguas.

http://ecofield.com.ar/blog/tratamiento-de-las-aguas-residuales-mediante-electrocoagulacion/

(Cañizares, P.; Martínez, F.; Jiménez, C.; Lobato, J.; Rodrigo, M.A. Coagulation and Electrocoagulation of wastes polluted with colloids. Sep.Sci& Technol., 42, 2157-2175, 2007)

Patente: WO2013007847

Autor:

Santiago Lalangui

Prof. Dr. Juan Enrique Tacoronte

Paralelo 2: Nueva Malla

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA

ELECTROQUIMICA