Electrocoagulación

Resumen

Se realizó el estudio acerca de la electrocoagulación como un mecanismo de tratamiento de agua residual, se analizó sus características generales, ventajas, desventajas y los parámetros de operación.

Esto se hizo construyendo el equipo necesario para llevar a cabo el experimento de la purificación de aguas residuales y se puso en funcionamiento bajo parámetros previamente analizados. Para ello utilizamos una muestra específica de agua residual de la que ya se conocía su composición de elementos contaminantes.

Por medio del procedimiento de la electrocoagulación se obtuvo una muestra de agua residual tratada que disminuyó considerablemente sus cargas contaminantes.

Se concluyó que la electrocoagulación es un método rápido y eficaz para tratar aguas residuales, y está fundamentado en una proceso electroquímico para desestabilizarlas cargas contaminantes y luego eliminarlas.

Introducción

En la actualidad la sociedad enfrenta el gran problema del siglo XXI que es proveer agua para una población creciente, como son agua potable, agua de riego y agua para la industria.

Se sabe que 1,1 billones de personas no gozan de agua potable y 2,2 billones no cuentan con servicios básicos de saneamiento, por lo que las exigencias de tratar el agua contaminada se hace cada vez más grande. El mayor reto de la humanidad es satisfacer la demanda de agua potable a todas las regiones de planeta

La mayoría de las industrias depositan los desechos en ríos, lagos, canales y otros, contaminando así gran parte de agua para consumo humano. De ahí nace la necesidad que estas aguas contaminadas sean tratadas antes de desecharlas con métodos eficientes y adecuados.

Frente a esta problemática mundial en torno al agua los países desarrollados como Estados Unidos y los países de la Unión Europea están experimentando la necesidad de tratar aguas residuales para evitar o controlar la contaminación de este recurso hídrico y garantizar su disponibilidad para los diferentes usos. Al mismo tiempo se ha visto en la necesidad de desarrollar una serie de estrategias de manejos sustentable del agua.

La electrocoagulación aunque no es una tecnología nueva, ha sido poco estudiada y desarrollada. Pese a esto, ha logrado alcanzar un aprovechamiento comercial importante en el trabajo puntual de algunos contaminantes ubicándose como una técnica con mayores ventajas comparativas con respecto a las tecnologías tradicionales de tratamiento. Por esta razón en los últimos años ha cobrado un interés científico, pues se necesita entender a fondo el proceso y sus mecanismos

La electrocoagulación es un proceso que aplica los principios de la coagulación–floculación en un reactor electrolítico. Este es un recipiente dotado de una fuente de corriente y varios electrodos encargados de aportar los iones desestabilizadores de partículas coloidales que reemplazan las funciones de los compuestos químicos que se utilizan en el tratamiento convencional.

Generalidades

• RESEÑA HISTÓRICA DE LA ELECTROCOAGULACIÓN

La electroquímica es una ciencia que nace a finales del siglo XVII con los trabajos de Galvani y Volta, y ha tenido desarrollos y aplicaciones en muchas áreas. Podemos mencionar su uso en el arranque de motores de los automóviles, en procesos de síntesis química y métodos para la eliminación de la contaminación.

La electrocoagulación ha sido una técnica emergente desde 1906, con la primera patente conseguida en Estados Unidos. Problemas de tipo financieros o de regulación de incentivos generaron tropiezos para que la industria adoptara esta técnica, pero se conocen desarrollos anteriores desde el siglo XIX, exactamente en 1888, se efectúa el primer ensayo reportado en Londres por Webster. Su proceso utilizaba ánodos de hierro soluble, con una caída de potencial de 1,8 V entres los electrodos, distantes una pulgada, y una corriente anódica de 0,6 A/pie2.

En 1986 se usó en OUSVILLE, Kentucki, una modificación del proceso de Webster para coagular agua cenagosa del rio o HIO, proceso en el que se utilizaron ánodos de hierro y aluminio.

Durante las dos últimas décadas se han reportado trabajos en donde se utiliza el proceso para remover partículas dispersas en aceite, grasa y petróleo en el tratamiento de aguas residuales provenientes de proceso de electroplateado, textiles y en procesos de potabilización del agua misma, entre otros.

• LA ELECTROCOAGULACION

La electrocoagulación es una técnica que se usa para tratar aguas residuales. Los contaminantes de muy diversos efluentes son removidos aplicando el principio de coagulación, pero en este caso no se hace uso de un coagulante químico. Podemos entonces definir la electrocoagulación como un proceso en el cual son desestabilizadas las partículas de contaminantes que se encuentran suspendidas, emulsionadas o disueltas en un medio acuoso, induciendo corriente eléctrica en el agua a través de placas metálicas paralelas de diversos materiales, siendo el hierro y el aluminio los más utilizados.

La corriente eléctrica proporciona la fuerza electromotriz que provoca una serie de reacciones químicas, cuyo resultado final es la estabilidad de las moléculas contaminantes.

Por lo general este estado estable produce partículas sólidas menos coloidales y menos emulsionadas o solubles. Cuando esto ocurre, los contaminantes forman componentes hidrofóbicos que se precipitan o flotan, facilitando su remoción por algún método de separación secundario. Los iones metálicos se liberan y dispersan en el medio líquido y tienden a formar óxidos metálicos que atraen eléctricamente a los contaminantes que han sido desestabilizados.

El fundamento teórico de la electrocoagulación, consiste en:

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

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

• 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". (No necesita agitación externa) 

FIGURA 1

PROCESO DE ELCTROCOAGULACIÓN

• VENTAJAS DE LA ELECTROCOAGULACION

Son muchas las ventajas de la electrocoagulación. Entre las más relevantes están:

• Los costos 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 agua.

• 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 ELECTROCOAGULACION

• 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 las 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.

Sección principal

• MECANISMOS Y REACCIONES

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

En los electrodos ocurren una serie de reacciones que proporcionan iones tanto positivos como negativos. El ánodo provee iones metálicos. A este electrodo se le conoce como electrodo de sacrificio, ya que la placa metálica que lo conforma se disuelve, mientras la placa que forma el cátodo permanece sin disolverse.

Los iones producidos cumplen la función de desestabilizar las cargas que poseen las partículas contaminantes presentes en el agua. Cuando estas cargas se han neutralizado los sistemas que mantienen las partículas en suspensión desaparecen, permitiendo la formación de agregados de los contaminantes e iniciando así el proceso de coagulación.

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

Las reacciones más importantes que pueden sufrir las partículas de contaminantes son: hidrólisis, electrólisis, reacciones de ionización y formación de radicales libres.

Estas reacciones cambian las propiedades del sistema agua- contaminantes, que conlleva a la eliminación de la carga contaminante del agua.

De acuerdo con la ley de Faraday, que rige el proceso de electrocoagulación, la cantidad de sustancias formadas en un electrodo es proporcional a la cantidad de cargas que pasan a través del sistema, y el número total de moles de sustancia formada en un electrodo está relacionado estequiométricamente con la cantidad de electricidad puesta en el sistema.

A diferencia de la coagulación química, proceso en el cual el coagulante es adicionado al sistema como agente químico, en la electrocoagulación el coagulante es formado in situ mediante las reacciones dadas por la disolución de iones del metal que conforma el electrodo de sacrificio. Como se explicó anteriormente, la producción de iones metálicos se da en el ánodo y son los iones que, por oxidación electrolítica, dan origen a la sustancia química que hace las veces de coagulante.

Según es expuesto por Mohllah, se considera que en el proceso de electrocoagulación intervienen 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 del contaminante o adsorción de éstas en el coagulante.

Reacciones involucradas en la electrocoagulación: Los materiales más comúnmente utilizados como electrodos en la electrocoagulación son hierro y aluminio. Por esta razón se tratarán de manera especial las reacciones que se desarrollan manteniendo electrodos de estos dos metales en la celda. La bibliografía referenciada trata ampliamente estas reacciones, no sólo para hierro y aluminio, sino también aquellas reacciones que ocurren cuando los electrodos son de otros metales o materiales.

El proceso de electrocoagulación es afectado por diferentes factores. Entre los más importantes se encuentran la naturaleza y concentración de los contaminantes, el pH del agua residual y la conductividad. Estos factores determinan y controlan las reacciones ocurridas en el sistema y la formación del coagulante.

Para el caso en el cual el hierro actúa como ánodo, se han propuesto dos mecanismos que explican la formación in situ de dos posibles coagulantes. Estos pueden ser hidróxido ferroso Fe(OH)2 o hidróxido férrico Fe(OH)3.

Mecanismo 1: Formación del hidróxido férrico

Mecanismo 2: Formación del hidróxido ferroso

Luego de la formación de los hidróxidos de hierro los coloides se aglomeran, 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.

Los iones Al+3 en combinación con los OH – reaccionan para formar algunas especies monoméricas como Al(OH)2 +,Al2(OH)2 +, Al(OH)2 +, y otras poliméricas, tales como Al6(OH)15 3+, Al7(OH)17 4+, Al8(OH)20 4+, Al13O4(OH)24 7+ y Al13(OH)34 5+ que por procesos de precipitación forman el Al(OH)3(s), como se muestra en la reacción de ánodo. El Al(OH)3(s) es una sustancia amorfa de carácter gelatinoso, que expone una gran área superficial con propiedades absorbentes y que es propicia para los procesos de adsorción y atracción de las partículas contaminantes.

• FACTORES QUE AFECTAN LA ELECTROCOAGULACIÓN

Son muchos los factores que intervienen en el proceso de electrocoagulación y algunos de estos factores tienen mayor influencia sobre el proceso. A continuación discutiremos aquellos que se relacionan más directamente con la efectividad del mismo.

pH. El pH influye sobre la eficiencia de la corriente en el proceso de solubilidad del metal para formar hidróxido. Se ha observado en diferentes investigaciones que el pH varía durante el proceso de electrocoagulación y esta variación es dependiente del material de los electrodos y del pH inicial del agua a tratar. El pH durante el proceso puede incrementarse para aguas residuales ácidas, efecto atribuido a la generación de hidrógeno molecular que se origina en el cátodo. En contraposición, en aguas residuales alcalinas el pH puede decrecer y, dependiendo de la naturaleza del contaminante, el pH influye sobre la eficiencia del proceso.

Se ha determinado en algunos casos que la mayor eficiencia en la remoción de un contaminante se da dentro de un rango específico de pH, e incluso este rango puede ser amplio. En términos generales las mejores remociones se han obtenido para valores de pH cercanos a 7.Ejemplos de esta situación se pueden ver en la remoción de arsénico en aguas de consumo, donde el mayor porcentaje de remoción de arsénico se da en pH entre 6 y 8, y las mejores remociones de turbiedad y DQO en las aguas de la industria textil se dan en un pH de 7.

Las reacciones que se dan durante el proceso de electrocoagulación le dan al medio acuoso capacidad buffer. Especialmente en aguas residuales alcalinas, esta propiedad previene grandes cambios de pH, con lo cual son menores las dosificaciones de sustancias químicas para regular el pH.

Densidad de corriente. Como las variables eléctricas en el proceso de electrocoagulación son los parámetros que más influyen en la remoción del contaminante de un agua residual y están ligados a factores económicos, se debe prestar mayor atención a su estudio.

La eficiencia en la remoción y el consumo de energía se incrementan con el aumento en la densidad de corriente. Para algunas conductividades del medio acuoso el consumo de energía se incrementa proporcionalmente con los aumentos de conductividad, lo que conlleva a un consumo mayor de energía. Para altos consumos de energía se presentan pérdidas por la transformación de energía eléctrica en calórica, produciéndose un aumento en la temperatura del medio acuoso.

El suministro de corriente al sistema de electrocoagulación determina la cantidad de iones de aluminio Al +3 o hierros Fe +2, liberados por los respectivos electrodos.

En general un aumento de la densidad de corriente genera un aumento en la remoción de contaminante. Una densidad de corriente demasiado grande produciría una disminución significativa en la eficacia. La selección de la densidad de corriente podría realizarse teniendo en cuenta otros parámetros de operación, como pH y temperatura.

La energía eléctrica que se suministra a la celda electroquímica puede ser mediante corriente alterna (CA) o bien como corriente directa (CD). Las características propias del paso de cada una de las corrientes a través del medio acuoso generan diferentes respuestas electroquímicas entre las placas y el agua residual tratada. Cuando se suministra corriente directa se produce en el cátodo una impermeabilización, lo que causa una menor eficiencia en la remoción.

Conductividad: Un incremento en la conductividad eléctrica genera a su vez un incremento en la densidad de corriente. Cuando se mantiene constante el voltaje alimentado a la celda de electrocoagulación y adicionalmente el incremento de la conductividad, manteniendo la densidad de corriente constante, se produce una disminución del voltaje aplicado.

La adición de algunos electrólitos tales como NaCl o CaCl2 genera un aumento en la conductividad del agua residual. Además se ha encontrado que los iones de cloruro pueden reducir los efectos adversos de iones como HCO3 – y SO4 =, pues la presencia de iones carbonatos o sulfatos pueden conducir a la precipitación de Ca+2 y Mg+2 produciendo una capa insoluble depositada sobre los electrodos que aumentaría el potencial entre éstos, decreciendo así la eficiencia de la corriente. Se recomienda, sin embargo, que para un proceso de electrocoagulación normal se mantengan cantidades de Cl- alrededor del 20%.

Temperatura. Los efectos de la temperatura sobre la electrocoagulación no han sido muy investigados, pero se ha encontrado que la eficiencia en la corriente se incrementa inicialmente hasta llegar a 60º C, 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.

• TIPOS DE REACTORES

VER ANEXO 1

• EXPERIMENTO

Objetivos:

• 1. Cualificar y cuantificar las propiedades de un agua residual al cabo de un determinado tiempo en el electrocoagulador.

• 2. Determinar las condiciones de operación ideales para la realización de la electrocoagulación del agua residual.

• 3. Identificar si el proceso de electrocoagulación es un buen mecanismo para la eliminación de contaminantes de agua residual.

Procedimiento:

• 1. Realizar el estudio de la composición del agua residual a tratar.

• 2. Proceder a la fabricación del reactor tipo BATCH, el cual consta de una fuente de energía para inducir la corriente eléctrica y de los electrodos de aluminio y hierro, dispuestos de forma intercalada dentro del reactor, estos van cubiertos por el agua a tratar. Además se dispone de dos válvulas ubicadas arriba y abajo del reactor por los cuales se eliminará los flóculos y el material sedimentado.

El esquema de equipo es el siguiente:

FIGURA 2

EQUIPO DE ELECTROCOAGULACIÓN

• 3. Se realizan las conexiones en serie de los electrodos y la fuente de energía.

• 4. Se miden 1500 mL de agua residual que se vaya a tratar y se vierte en el reactor. Posteriormente se pone en funcionamiento el reactor, utilizando las condiciones propuestas en la tabla 1.

• 5. Dejar que el proceso de electrocoagulación se dé por unos 15 min y luego abrir las válvulas para eliminar el material floculado y sedimentado.

• 6. Realizar el análisis posterior del agua residual ya tratada y observar las mejoras que se produjeron en la composición de la misma.

Datos:

Tabla 1

DATOS EXPERIMENTALES

Resultados:

Tabla 2

RESULTADOS

Conclusiones

• 1. La remoción alcanzada de grasas y aceites en el agua residual estudiada es muy significativa, confirmando el poder de la corriente eléctrica de desestabilizar el equilibrio eléctrico que presentan grasas y emulsiones, provocando su precipitación.

• 2. Mediante los resultados se puede observar en concordancia una reducción en la Demanda Química de Oxígeno (DQO). Los volúmenes de agua y tiempos de tratamiento empleados no registraron variación de la temperatura atendiendo a los bajos voltajes aplicados.

• 3. La remoción lograda de suspensiones y emulsiones, la electrocoagulación, es altamente eficiente en la destrucción de materia orgánica y en la remoción del material contaminante de las aguas residuales.

• 4. La electrocoagulación es un tratamiento eficiente para la remoción de contaminantes en aguas residuales, ya que se logra una remoción considerable en solo 15 minutos usando una corriente de 0.07 A y 2.7 V.

• 5. El tratamiento de electrocoagulación puede ser considerado como una alternativa de tratamiento para aguas residuales de industrias como la de Gelatina como se observa en nuestro trabajo de investigación pues permite eliminar contaminantes con un poco de voltaje lo que a comparación de otros métodos convencionales es muy económico, además que incluso es más eficiente.

Bibliografía

• 1. HOLT, Peter K. BARTON, Geoffrey W. and MITCHELL, Cynthia A. El futuro de la electrocoagulación. Vol. 59, No.3 (apr:2005); p.355-367.

• 2.  MOLLAH, M.Yousuf A., et al. Electrocoagulación. Vol.84, No. I (jun.2001); p.29-41.

• 3. PETTERSON. James W. Industrial Wastewater Treatment Technology. 2 ed. Stoneham, Ma.: Butterworth Publishers, 1985. p. 273-302.

• 4. CHEN, Guohua. Tecnología electroquímica en tratamientos de agua. Vol.38, No. I (jul.2004): p. 11-41

Anexos

• TIPOS DE REACTORES (ANEXO 1)

FIGURA 6.1-1

REACTORES TIPO BATCH

• Reactor con electrodos monopolares conectados en paralelo

• Reactor con electrodos monopolares conectados en serie

FIGURA 6.1-2

REACTOR TIPO FILTRO PRENSA

FIGURA 6.1-3

REACTOR DE ELECTRODO CILÍNDRICO ROTATIVO

FIGURA 6.1-4

REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO

• EQUIPO DEL EXPERIMENTO

FIGURA 6.2-1

EQUIPO DEL EXPERIMENTO

• PROCEDIMIENTO DEL EXPERIMENTO

FIGURA 6.3-1

CONTRUCCIÓN DEL EQUIPO

PLACAS METÁLICAS

FIGURA 6.3-2

CONTRUCCIÓN DEL EQUIPO

ELECTROCOAGULADOR ARMADO

FIGURA 6.3-3

CONECCIÓN EN SERIE

FIGURA 6.3-4

FUENTE DE ELECTRICIDAD

FIGURA 6.3-5

SISTEMA EN FUNCIONAMIENTO

Autor:

Betancourt Mediavilla Estefanía

Domínguez Arellano Samantha

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

INGENIERÍA QUÍMICA

CUARTO SEMESTRE

2013-2014

Quito, diciembre de 2013

Ecuador