Simulación de aguas residuales con colorantes y su caracterización electroquímica

"Quien conoce a los demás posee inteligencia; quien se conoce a si mismo posee clarividencia. Quien vence a los demás posee fuerza; quien se vence a si mismo es fuerte."

Lao zi  

Introducción

El agua es un recurso natural renovable que se regenera continuamente mediante el ciclo del agua o ciclo hidrológico, es el punto clave para la supervivencia humana, sin embargo puede llegar a estar tan contaminada por las actividades humanas, que ya no sea útil, sino más bien nociva .Por ello con el tiempo se a desarrollado mecanismos que nos ayuden a prevenir y tratar el agua generando así las aguas residuales, aparecen sucias y contaminadas: llevan grasas, detergentes, materia orgánica, residuos de la industria sustancias muy tóxicas.

Estas aguas residuales si no tiene un debido DQO, DBO exigidos por la municipalidad en la que la empresa se encuentre ubicada, deben ser depuradas, para devolver el agua a la naturaleza en las mejores condiciones posibles. El primer Contaminante que se reconoce es el color, puesto que una pequeña cantidad de pigmento en el agua, es altamente visible y afecta la transparencia y la solubilidad

Para tratarla lo podemos realizar con la ayuda de la electroquímica, para cumplir dichas normas establecidas, ya que no hay necesidad de agregar otros compuestos químicos para el tratamiento de aguas si no que con la ayuda de la una corriente eléctrica podemos realizar ese pretratamiento y así no afectar al medio ambiente donde es desechada este tipo de agua además de que se puede potabilizar para su consumo todo esto lo podemos lograr mediante procesos electroquímicos.

Ilustración 1. Tratamiento de aguas residuales en la Industria Textil

Fuente: http://www.aqualimpia.com/UASBtextil.htm

OBJETIVOS

Objetivo General

• Investigar el estudio de las nuevas alternativas y aplicación de procesos de electrocoagulación en el tratamiento de efluentes acuosos contaminados con materia coloidal, colorantes

Objetivos específicos

• Conocer el uso de electrodos de aluminio y hierro en el tratamiento de aguas residuales industriales

• Comprobar la eliminación de colorantes a través de procesos electroquímicos

JUSTIFICACIÓN

Las industrias textiles en donde se hacen teñidos y lavados de sus materias primas desechan aguas residuales que contienen restos de colorantes, sustancias orgánicas, sin ningun tratamiento previo, el motivo de esta investigación es aportar con nuestros conocimientos para dar alternativas diferentes haciéndolo primero a baja escala, gracias a una visita realizada en Pichincha en la industria INTELA se pudo observar la gran magnitud de contaminación que se está realizando, estas aguas son desechadas sin ningún problema además de que la concentración de colorantes es alta y sus moléculas de los colorantes son estructuras muy variadas y complejas , origen sintético, poco biodegradables por ello esta actividad industrial necesita un tratamiento de las aguas antes de ser llevadas al sistema de alcantarillado de la ciudad, la electroquímica ha desarrollado un gran incremento en procesos electroquímicos ya que son limpios y no requieren adición de mas contaminantes y lo único que requiere solo es energía limpia. El reúso del agua residual es ahora una necesidad, la cual está en busca de tecnologías efectivas y de bajo costo. Nuestra investigación busca cumplir con los requerimientos ambientales de vertimientos del agua residual de la industria textil, y contrarrestar la contaminación ambiental.

Marco teórico

El agua y su contaminación

Es la alteración del estado original de la pureza del agua mediante la incorporación de agentes extraños de manera directa o indirecta El agua procedente de la lluvia antes de llegar al suelo ya recibe su primera contaminación al convertirse en lluvia acida con la contaminación de los autos. Se produce por la incorporación de materias extrañas como:

Tabla 1. Agentes infecciosos potencialmente presentes en aguas residuales domésticas no tratadas

Para el tratamiento o eliminación de estos elementos orgánicos, inorgánicos y agentes infecciosos los hacemos con la ayuda procesos electroquímicos.

• Agentes patógenos: Son los virus, bacterias, protozoarios

• Sustancias químicas inorgánicas: ácidos, metales tóxicos como el plomo y Hg

• Sustancias químicas orgánicas llegan al medio acuático por medio de detergentes, plaguicidas, plásticos y petróleo.

• Sedimentos o materia suspendida: Son partículas insolubles del suelo que enturbian el agua, estas son el mayor agente contaminante del agua.

• Sustancias Radioactivas: Estas pueden causar defectos congénitos y cáncer.

• Otros: desechos agrícolas de los fertilizantes y plaguicidas que son arrastrados por la lluvia hasta los ríos, desechos industriales, por la incineración de residuos tóxicos, por la actividad petrolera y por los residuos sólidos que provienen de la tala de árboles y la erosión.

Indicadores de la contaminación del agua

Indicadores físico-químicos:

• Sólidos totales : comprende la materia (orgánica e inorgánica) disuelta, coloidal

• Color: debe ser incolora; las aguas residuales tienen un color entre gris y negro.

• Olor: ser inodora ; las aguas residuales domésticas tienen un olor desagradable.

• Temperatura: influye en el desarrollo de la vida acuática, el oxígeno disuelto.

• Turbidez: es mayor cuanto mayor es la contaminación del agua.

• pH: mide la concentración de hidrogeniones; pH del agua potable entre 6,5-8,5

• (DBO): determina midiendo la cantidad de oxígeno consumido por los microorganismos.2mg/l

Indicadores microbiológicos

• Coliformes: Escherichia coli; sirven como indicadores de contaminación fecal

Otros indicadores:

• Elementos no deseables y/o tóxicos: Al, As, Fe, Mn, Ti, Zn, Sb, Ag, Ba, Cr, Sn, F, Hg, Ni, Pb, Se,

• Micro contaminantes orgánicos: hidrocarburos clorados, hidrocarburos aromáticos poli cíclicos, aceites y grasas, pesticidas, detergentes, cianuros, fenoles, etc.

Tabla 2. Límite máximo permisible para descargas en la Industria Textil

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

Industria Textil

La industria textil es una de las más grandes a nivel mundial sin embargo la cantidad de sustancias químicas que se utilizan en el proceso de tinción y deslavado provoca que las descargas de agua residual contenga una cantidad considerable de compuestos tóxicos al ambiente, la industria textil puede dividirse en cuatro etapas principales:

• producción de la hebra, hilado,

• tejido y punzonado;

• Tintorería ,lavado, acabado de los tejidos;

• fabricación de productos textiles.

Características de los residuos

Toda el agua residual se produce en la etapa final, las plantas de procesamiento textil emplean una amplia variedad de tintes y otros compuestos químicos,colorantes y otros acabados auxiliares. Muchos de estos no permanecen en el producto textil final sino que son desechados después de cumplir con un uso específico.

Muchos de estos agentes químicos empleados en la industria textil son considerados tóxicos y peligrosos. La descarga de estas substancias en el medio ambiente puede causar serios perjuicios a la salud y al bienestar de una comunidad.

Ciclo toxico de la industria textil

Los solventes clorados se usan en la industria textil en la operación de descrude como agentes desengrasantes y como portadores de los tintes. Los colorantes contienen metales pesados como cromo, cobre y zinc, y substancias orgánicas.

Ilustración 2. Ciclo tóxico de la Industria Textil

Fuente:http://www.greenpeace.org/espana/es/Trabajamos-en/Parar-la-contaminacion/Agua/Campana-Detox-/Historial-Detox/

Electroquímica 

Es una rama de la química que estudia la transformación entre la energía eléctrica y la energía química, 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)

Celdas electrolíticas

La celda electroquímica es un dispositivo para generar electricidad mediante una reacción redox espontánea .En una celda el agente reductor pierde electrones por tanto se oxida. El electrodo en donde se verifica la oxidación se llama ánodo. En el otro electrodo la sustancia oxidante gana electrones y por tanto se reduce. El electrodo en que se verifica la reducción se llama cátodo. La corriente eléctrica fluye del ánodo al cátodo porque hay una diferencia de energía potencial entre los electrodos. En la celda electrolítica la batería u otra fuente de corriente eléctrica, empuja los electrones hacia el cátodo, por lo que éste tiene signo negativo (–) y los toma del ánodo, por lo que éste es positivo (+).

Figura 1. Celda Electrolítica

Fuente:http://www.monografias.com/trabajos79/celdas-electroquimicas/celdas-electroquimicas2

Métodos electroquímicos para tratamiento de aguas residuales

La utilización de procesos electroquímicos para el tratamiento de aguas residuales está adquiriendo cada día más importancia por su versatilidad, reducido tamaño y capacidad de automatización. Estos métodos involucran el uso de celdas electroquímicas evitando así el uso de microrganismo o reactivos el sistema emplea electrones para realizar el tratamiento, hoy en día los procesos electroquímicos han alcanzado un estado en el cual no son solamente comparables desde el punto de vista económico 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

Electrocoagulación

La electrocoagulación es un proceso que utiliza la electricidad para eliminar contaminantes en el agua que se encuentran suspendidos, disueltos o emulsificados. La técnica consiste en inducir corriente eléctrica en el agua residual de bajo voltaje y por la acción a través de placas metálicas paralelas (electrodos metálicos, normalmente aluminio/hierro). La corriente eléctrica proporciona la fuerza electromotriz que provoca las reacciones químicas que desestabilizan las formas en las que los contaminantes se encuentran presentes, bien sea suspendidas o emulsificadas. Es así que los contaminantes presentes en el medio acuoso forman agregados, produciendo partículas sólidas que son menos coloidales y menos emulsificadas (o solubles) que en estado de equilibrio. Cuando esto ocurre, los contaminantes forman componentes hidrofóbicos que se precipitan y/o flotan y se pueden remover fácilmente En este proceso se genera una elevada carga de cationes que desestabilizan los contaminantes del agua residual, se forman hidróxidos complejos, estos tienen capacidad de adsorción produciendo agregados (flóculos) con los contaminantes.

La eficiencia del proceso 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.

El objetivo general es disminuir, DQO, DBO, COT y sólidos suspendidos en el efluente mediante un coagulante generado "in situ". Este se forma por una reacción de oxidación del ánodo y las especies cargadas o metales pesados.

Coagulación y floculación

La coagulación es un proceso fisicoquímico tendiente a formar partículas mas grandes y de mayor densidad. La coagulación consiste en la dosificación de compuestos químicos que provocan la formación de polímeros que atrapan o encapsulan las partículas coloidales (partículas de muy pequeño tamaño), que por si mismas nunca lograrían separarse del líquido que las contiene. Sulfato de Aluminio, Sulfato Ferroso

La floculación es un fenómeno, también de carácter físico y químico, que provoca la formación de conglomerados de folículos o partículas a partir de los coágulos formados en el proceso de coagulación., causa que los coágulos formados se adhieran a los ramales de estas moléculas gigantes.

Figura 2:.Coagulaciòn y floculación

Fuente: http://www.elaguapotable.com/coagulacion-floculacion.html

¿Qué es lo que en realidad pasa?

El paso de 3 electrones ocasiona la liberación de un átomo de aluminio con tres cargas eléctricas positivas Al3+ que en contacto con el medio acuoso se transforma en Al(OH)3 que tiene un elevado poder coagulante, este coagulante atrae a la materia orgánica dispuesta en coloides formando coágulos esta atracción se debe a que coagulante y coloides tienen diferente carga eléctrica y forman el coagulo.

En un proceso simultáneo los mismos electrones atacan a la molécula del agua y genera un radical hidroxilo y un átomo de H+ y este se enlazará con otro para formar H2 g y liberarse.

• a. Reacciones

El ánodo que provee iones metálicos 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.

Cuando un potencial es aplicado a los electrodos, de hierro y aluminio, ocurre el siguiente proceso: el hierro o aluminio del ánodo se disuelven dando origen a iones metálicos, los iones producidos cumplen la función de desestabilizar las cargas que poseen las partículas contaminantes presentes en el agua. los cuales son hidrolizados inmediatamente para formar hidróxidos y polihidróxidos, estas sustancias son excelentes agentes coagulantes. La coagulación se logra cuando estos cationes son atraídos por las partículas negativas presentes en la solución, coloides.

Cuando estas cargas se han neutralizado, permitiendo la formación de coágulos de los contaminantes e iniciando así el proceso de coagulación, formación, 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

El proceso de electrocoagulación es afectado por diferentes factores.

• La naturaleza y concentración de los contaminantes.

• El pH del agua residual y la conductividad.

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

Figura 2. Reacciones de la electrocoagulación

Fuente: http://www.yakupro.com/electrocoagulacio

• Mecanismo uno: Formación del hidróxido férrico

Reacciones químicas presentes en la electrocoagulación

IMPORTANTE

• b. Ventajas

• 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.

• La planta requieren menos mantenimiento.

• Se produce un desprendimiento de H2 y O2 gaseoso en sus respectivos electrodos. Estos gases el ascender a la superficie provocan:

-Separación rápida de coloides del electrodo (evitan se ensucien)

Arrastre de coloides desestabilizados a la superficie, formando una nata

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

• Técnica amiga del medio ambiente.

• Los tiempos de residencia de la electrocoagulación son de 10 a 20 minutos, en comparación con los sistemas biológicos que requieren entre 12 y 24 horas.

• Los costos de inversión son un 50% más bajo que los sistemas biológicos.

• Los consumos de energía eléctrica son menores a los sistemas de tratamiento convencionales.

• c.  Reacciones de la Electrofloculaciòn

Algunas reacciones que ocurren en los electrodos son similares a las que acorren en los electrodos de la electrocoagulación.

Ánodo (Oxidación)

Con presencia de cloruros durante las reacciones de oxidación-reducción que tienen lugar en el ánodo y el cátodo, el cloro y el hipoclorito libres pueden ser generados los cuales son oxidantes muy fuertes y puede llevar a cabo la oxidación indirecta de la materia orgánica y suceden las reacciones siguientes:

La oxidación de la materia orgánica se lleva a cabo por medio de oxígeno generado en la oxidación del agua en el ánodo y el peróxido de hidrógeno creado in situ. Sin embargo, el principal mecanismo para la eliminación de la materia orgánica disuelta se lleva a cabo por la oxidación mediante la capa de ozono añadida y mediante la oxidación indirecta del ánodo con la ayuda de en cloruro generado in situ e hipoclorito.

Aplicaciones

Aplicaciones Generales

• La industria metalúrgica.

• Industria productora de cromo: Estas aguas residuales son de alta toxicidad y el mejor tratamiento que se las puede dar es la electrocoagulación

• Industria productora de curtientes.

• Industria productora de fertilizantes.

• Industria mecánica.

• Las refinerías.

• Talleres de reparación automotriz.

• Industria alimentaria: estas aguas son caracterizadas por tener altos contenidos de DBO y DQO, además de altos porcentajes de grasas. Mediante la electrocoagulación mostro remociones de 99 y 88% en grasas y DQO respectivamente.

• Industria Textil: Donde se han obtenido eficiencias importantes en la remoción de materia orgánica, turbiedad y color.

• Potabilización de aguas: Es importante resaltar que el paso de la corriente eléctrica a través del agua a tratar tiene efecto desinfectante en cuanto que destruye, en porcentajes por encima del 99%, los microorganismos presentes en el agua, en esta misma aplicación se ha venido estudiando la electrocoagulación con buenos resultados en el tratamiento de aguas para consumo humano contaminadas con arsénico.

Aplicación detallada (ELECTROFLOCULACIÒN).

La electrofloculación es muy adecuada para tratar los efluentes difíciles. Este proceso puede tratar grandes caudales se aguas residuales con bajos costos 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.

Descripción del proceso

En primer lugar el Ph de las aguas residuales a tratar debe llevarse a un valor entre 6 y 8. Esto tiene lugar en el depósito de neutralización .Seguidamente el fluido es bombeado a la cuba de trabajo donde se encuentran los electrodos(Fe y Al. ). los electrodos reciben alimentación eléctrica con una corriente de fuerte amperaje y débil voltaje.

El Fe y el Al. se transforman en cationes, formando como en la electrocoagulación .

Esta técnica permite además eliminar los metales pesados disueltos en el agua, la corriente se interrumpe automáticamente y el fluido es evacuado hacia un depósito tampón o regulador.

Durante el vaciado de la cuba de trabajo los electrodos son limpiados. Este depósito regulador o tampón, alimenta un filtro-prensa mediante una bomba de membranas. Cuando el filtro-prensa está lleno, la presión en la bomba llega a su máximo y se puede proceder a la evacuación de los lodos (prácticamente secos) en un contenedor situado bajo el filtro.

El filtrado que sale del filtro-prensa se envía a otro depósito tampón donde se controlan el pH, la temperatura y la turbidez. Si el filtrado responde a las exigencias requeridas, podrá ser reutilizado como destino final, si no será devuelto al efluente.

Ilustración 3.Equipo para el tratamiento de aguas residuales mediante electro floculación

Desinfección UV

La luz ultravioleta (UV) es una alternativa de desinfección de agua residual evitando así el uso del cloro y ozono., proveen una desinfección efectiva sin producción de subproductos. La luz ultravioleta es una porción del espectro electromagnético que se encuentra entre los rayos x y la luz visible

El mecanismo de desinfección se basa en un fenómeno físico por el cual las ondas cortas de la radiación ultravioleta inciden sobre el material genético (ADN) de los microorganismos o probablemente en las nucleo proteínas que son esenciales para la supervivencia del microorganismo y los virus, y los destruye en corto tiempo, sin producir cambios físicos o químicos notables en el agua tratada.

La cinética de inactivación microbiana por UV es citada a menudo con ley de Chick:

Donde No es la concentración inicial de microbios previa a la aplicación de UV, N es el número de microbios que restan después de la exposición a la luz UV. I es la intensidad UV, t es el tiempo de exposición, y k es la constante del ritmo de inactivación. La mayoría de los equipos de desinfección ultravioleta utilizan una exposición mínima (en el agua) de 30.000 &µWs/cm2. Esto es adecuado para inactivar las bacterias y virus patógenos, pero quizá no sea suficiente para ciertos protozoos patógenos, quistes de protozoos y huevos de nemátodos, que pueden requerir hasta 100.000 &µWs/cm2 para su in activación total.

Tabla 4. Radiación de energía ultravioleta necesaria para destruir en un 99.99% de los microorganismos patógenos en el agua

Reacciones

Subproductos de la desinfección con rayos ultravioleta

No se conoce que haya efectos directos adversos sobre la salud de los consumidores de agua desinfectada con luz ultravioleta. la luz ultravioleta no altera el sabor ni el olor del agua tratada.,

Funcionamiento

La luz ultravioleta se produce mediante lámparas de vapor de mercurio .La desinfección del agua con luz ultravioleta puede lograrse con longitudes de onda de luz entre 240 y 280 nm y se obtiene la máxima eficiencia germicida a los 260 nm

Una consideración importante en el diseño del equipo de desinfección es asegurarse de que cada microorganismo reciba la dosis biocida de radiación en la cámara de contacto. Esto se logra determinando el espacio correcto entre las lámparas y las superficies reflectoras del interior de la cámara y agitando adecuadamente el agua cuando pasa por la cámara..

Si el flujo es perpendicular, las propias lámparas , pueden producir la turbulencia necesaria para asegurar que toda el agua quede expuesta a la dosis biocida. Cuando el flujo es paralelo a la longitud de las lámparas, es necesario utilizar mezcladores estáticos (pantallas) para proporcionar la turbulencia necesaria.

Figura 3. Componentes de la Lámpara Ultravioleta

Figura 4. Diseño del balastro

Figura 5. Instalación típica de un equipo de radiación UV con lámpara sumergida

Figura 6. Instalación típica de un equipo de radiación UV con lámpara fuera del agua

Fuente: http://www.contraplagas.com/conductos.pdf

Conclusiones y recomendaciones

• Es importante que para cada operación de procesamiento textil se identifique cuidadosamente cada una de las fuentes de residuos. Esto se puede lograr mediante un control de inventario y un reconocimiento de los potenciales contaminantes contenidos en los productos adquiridos o un análisis del proceso.

• Usar las estrategias para la prevención de la contaminación existen varias estrategias para la prevención de la contaminación (reducción en la fuente) que han sido utilizadas con éxito como la modificación del proceso, el uso de métodos alternativos, la conservación de los compuestos químicos y del agua, el tamizado y substitución de compuestos químicos

Bibliografía

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PATENTES

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http://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docId=WO2013144664&recNum=1&maxRec=1&office=&prevFilter=&sortOption=&queryString=FP%3A%28PROCESS+AND+DEVICE+FOR+ELECTROCHEMICAL+TREATMENT+OF+INDUSTRIAL+WASTEWATER+AND+DRINKING+WATER%29&tab=PCTDescription

Autor:

Javier Guerrero

Aracely Vallejos

Verónica Viracucha

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

QUITO

DICIEMBRE, 2013