Procesos y productos electroquímicos para tratamiento de aguas

Introducción

Actualmente en Ecuador, todo tipo de desechos tóxicos sin previo tratamiento provenientes de industrias textiles, alimenticias, farmacéuticas, mineras entre otras, contaminan los ríos de las principales ciudades como Quito, Ambato y Cuenca provocando que la biodiversidad que rodean dichos ríos se vaya deteriorando y provocando intoxicaciones graves a personas de comunidades aledañas.

Es por ello que los gobiernos buscan métodos efectivos para reducir el grado de contaminación en las aguas residuales.

Mundialmente se ha reconocido a la industria del cuero como una de las más contaminantes de aguas debido a que se utilizan procedimientos muy artesanales a través de todo el proceso, especialmente en la curtición. Los efluentes industriales provenientes de curtiembres son unos de los más complejos debido a su tratamiento en lo que se refiere a su composición y al origen de los contaminantes (AUQTIC, 2007).

El tratamiento de pieles y cueros animales origina un notable impacto sobre el medio ambiente. Las aguas residuales evacuadas de estos procedimientos tienen contaminantes y productos químicos que producen impactos ambientales secundarios como la contaminación de aguas freáticas, suelos, vertido de lodos, toxicidad y otras patologías especialmente por cromo.

Hoy, el vespertino Últimas Noticias publica un reportaje en el cual se revela que el 81% de contaminación es por las aguas servidas. El 19% restante es causado por los desechos industriales, como químicos, aceites, etc. (Diario EL COMERCIO)

Existe una diaria descarga de desechos químicos provenientes de camales municipales, curtiembres, fábricas de jeans y otras industrias alimenticias que funcionan en los cantones de Saquisilí, Pujilí, Latacunga, Salcedo y Píllaro.Así, 213 locales afectan al río Ambato, pues en él se descargan los residuos de 65 curtiembres, 10 fábricas de alimentos, tres empresas de cromado, 105 lubricadoras, 30 lavadoras de vehículos, a más de las aguas servidas que producen los habitantes de la capital de Tungurahua.CurtiembresSegún un estudio elaborado por el Departamento de Gestión Ambiental del Municipio de Ambato, 39 mil metros cúbicos de agua son utilizadas  mensualmente  en las curtiembres para el procesamiento de las pieles. Ninguna de las empresas cuenta con un sistema para el tratamiento primario de las aguas residuales, que contienen cromo, cal, sulfato de amonio, que se arrojan al sistema de alcantarillado sanitario, según informó Luis Núñez.En Pelileo, en cambio, 48 fábricas que tinturan y lavan ropa de tela jean, son las principales fuentes de contaminación del río Patate. (Diario LA HORA)

Por otro lado, gran cantidad colorantes, cuya producción mundial se aproxima a 106 toneladas (Sanromán et al., 2004), son usados para una extensa variedad de aplicaciones industriales, siendo el teñido, una de las actividades más importantes en la industria textil y manufacturera, generándose una gran cantidad de aguas residuales (alrededor del 50% en la industria textil). Estos efluentes, pueden contener partículas suspendidas, altos valores de pH, aportar materia orgánica e inorgánica susceptible de ser oxidada (DBO y DQO) (Mohammad et al, 2004) y contener una alta concentración de color. 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 de los gases en los cuerpos acuíferos (Cameselle et al., 2004). Estas características, pueden entorpecer aún más el tratamiento de dichos efluentes.

En este estudio se pretende evaluar la electrocoagulación como un método promisorio en el tratamiento de aguas residuales de la industria del cuero y aguas residuales provenientes del proceso de teñido en un floricultivo, orientado principalmente en la recuperación de cromo, degradación de color. 

Procesos y productos electroquímicas para tratamientos de aguas

2.1 ELECTROQUÍMICA

La electroquímica es una rama de la química dedicada al estudio de la interacción y correlación de los procesos químicos y eléctricos mediante las reacciones de oxidoreducción.

El primer uso de la electricidad para el tratamiento de agua fue propuesto en El Reino Unido en 1889, a partir de este momento se fueron desarrollando diferentes técnicas electroquímicas y estas han sido investigadas como tratamiento de efluentes que se han establecido principalmente como tecnologías para la recuperación de metales, tratamiento de efluentes con presencia de metales pesados y tratamiento para agua de consumo (Chen, 2004). Las principales técnicas electroquímicas son la electrodiálisis, la

electrocoagulación, la electroflotación y la oxidación directa o indirecta, éstas son usadas en industrias como la metalúrgica, fabricación de pilas, tratamiento de aguas residuales y efluentes gaseosos debido a los bajos costos y las ventajas técnicas que presentan estos métodos (Zumdahl y Zumdahl, 2000).

• Reacciones Electroquímicas

Las reacciones electroquímicas son las de reducciónoxidación conocidas como redox, las cuales se basan en transferencia de electrones entre un conjunto de especies químicas, en las cuales se presentará una especie oxidante y una reductora, que a su vez alcanzaran una forma reducida y una forma oxidada respectivamente (Hurley y Masterton,1997).

Según lo anterior para que se lleve a cabo este tipo de reacciones debe haber una especie que ceda sus electrones y otra que los acepte. El reductor es la especie química que tiende a ceder electrones de su estructura química al medio, quedando con carga mayor a la que tenía, mientras, el oxidante es la especie que tiende a captar esos electrones, quedando con carga menor

(Hurley y Masterton, 1997).

Una reacción electroquímica presentada la siguiente ecuación general (Rajeshwar, 1997):

Cuando la especie reductora cede sus electrones se convierte en una especie oxidada mientras la que capta los electrones se convierte en una especie reducida (Hurley y Masterton, 1997).

La mayoría de los compuestos inorgánicos cuando se disuelven en agua o en otros líquidos se ionizan, es decir, sus moléculas son disociadas en componentes cargados positiva y negativamente, lo cual tiene la propiedad de conducir una corriente eléctrica (Hurley y Masterton, 1997; Rajeshwar, 1997).

Si en una solución de un electrolito o un compuesto ionizable, se instalan un par de electrodos y una fuente de corriente directa se conecta entre ellos, los iones positivos se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos hacia los positivos (oxidarse o reducirse) y se transforman en moléculas o átomos neutros (Hurley y Masterton, 1997).

Por lo tanto, en las reacciones electroquímicas se da básicamente, un intercambio entre los electrones de los electrodos y los iones o moléculas de la solución, mediante la aplicación de una diferencia de potencial, que genera una corriente donde los electrones fluyen desde el punto más negativo hasta el más positivo. Este tipo de reacciones se clasifican según el lugar donde ocurran, ya sea en el seno de la solución, que son las llamadas homogéneas o en la superficie del electrodo, llamadas heterogéneas (Hurley y Masterton, 1997;

Rajeshwar, 1997).

Para que las reacciones electroquímicas se lleven a cabo inevitablemente ocurrirá la polarización de los electrodos, la cual es definida como la desviación del potencial aplicado respecto al potencial de equilibrio por el paso de corriente. Este cambio de potencial es conocido como sobre potencial, el cual puede ser controlado aumentando la conductividad de la solución, el área efectiva de los electrodos o la distancia entre ellos (Hurley y Masterton, 1997).

Los dos procesos más importantes que rigen el comportamiento de este tipo de reacciones son (Hurley y Masterton, 1997; Rajeshwar, 1997):

• Transporte de masa: es el movimiento de masa desde la solución a la superficie del electrodo, debido a diferencias en el potencial eléctrico (migración), químico (difusión) y por el movimiento global del líquido.

• Transferencia de electrones: existe una contribución de cada densidad de corriente parcial (anódica y catódica) a la densidad de corriente total, esta corriente de intercambio junto al sobre potencial afecta la velocidad de la reacción, pues a mayor corriente circulando mayor será la velocidad de reacción.

2.1.2 Reacciones presentes en el proceso de electrocoagulación

En una celda simple de electrocoagulación donde solo hay un ánodo y un cátodo los cuales son hechos de un metal M, se presentan en general las siguientes reacciones electroquímicas (Mollah et al, 2004).

En el ánodo se presentan las siguientes reacciones de oxidación:

En el caso de que los electrodos sean de aluminio la disolución del ánodo produce especies como Al3+, Al(OH)2+ los cuales producen espontáneamente los respectivos hidróxido o polihidróxidos; estos dependen del pH de la solución iónica (Mollah et al, 2001). Los hidróxidos y polihidróxidos formados en estas reacciones electroquímicas tienes una gran afinidad por partículas dispersas e iones, lo que permite la coagulación. Y los gases formados son los que realizan la flotación del material coagulado (Mollah et al, 2004).

A continuación se muestra el mecanismo general (Mollah et al, 2004):

2.2 ELECTROCOAGULACIÓN

La electrocoagulación es un método electroquímico usado para el tratamiento de aguas residuales que ha sido utilizado para remover un amplio número de contaminantes (Holt et al, 2005), este ha logrado ser comercializado pero ha sido poco estudiado, a pesar de que este método tiene un gran potencial para eliminar las desventajas de los tratamientos clásicos para aguas residuales (Mollah et al, 2001). La electrocoagulación es un proceso que implica varios fenómenos químicos y físicos, usa electrodos para proveer iones al agua residual que se desea tratar (Mollah et al, 2004). En esta técnica el coagulante es generado "in situ" debido a una reacción de oxidación del ánodo y las especies cargadas o metales pesados pueden ser removidos del efluente debido a la reacción entre iones con carga opuesta o debido a la formación de flóculos de hidróxidos metálicos (Mollah et al, 2001).

La electrocoagulación implica varias etapas (Mollah et al, 2004): (i) Debido a la oxidación del electrodo se presenta la formación de coágulos. (ii) Desestabilización del contaminante, partículas en suspensión y rompimiento de emulsiones. (iii) Para lograr la formación de flóculos se agrega partículas desestabilizadas. (iv) Remoción del material contaminante por flotación y sedimentación.

En esta técnica cuando un potencial es aplicado a los electrodos, los cuales son hechos de diferentes metales, especialmente hierro y aluminio, se genera el siguiente proceso: El hierro o aluminio del ánodo se disuelve dando origen a iones metálicos, los cuales son hidrolizados inmediatamente para formar hidróxidos o polihidróxidos, estas sustancias son excelentes agentes coagulantes.

La coagulación ocurre cuando estos cationes (hidróxidos y polihidróxidos) son atraídos por las partículas negativas presentes en la solución. Los contaminantes presentes en el agua residual son tratados por medio de reacciones químicas y precipitación o combinación con material coloidal, para después ser removidos por electroflotación, sedimentación o filtración (Mollah et al,2004).

Una solución coloidal es una dispersión de un sistema físico compuesto por una fase continua (fluida) y una fase dispersa en forma de partículas (generalmente sólidas), de tamaño intermedio entre microscópicas y macroscópicas, pues no se pueden observar a simple vista pero tienen un tamaño mayor que las moléculas (Zumdahl y Zumdahl, 2000). Esta dispersión de partículas tienen una carga negativa cuando se encuentran en soluciones acuosas, esto se debe a que si dos fases de diferente constitución química entran en contacto, se desarrolla una diferencia de potencial eléctrico entre las dos fases, esto conlleva a que haya una separación de cargas, en donde las cargas negativas están hacia el lado del coloide y las cargas positivas hacia el lado de la interfase y es estable debido a las fuerzas de repulsión que se dan como consecuencia de las interacciones electrostáticas entre coloides vecinos (Zumdahl y Zumdahl, 2000).

Cuando en la electrocoagulación se producen los agentes desestabilizantes in situ, disminuyen o neutralizan las cargas en una suspensión coloidal, formando agregados que pueden ser retirados por medios mecánicos más fácilmente

(Zumdahl y Zumdahl, 2000). En la electrocoagulación el agua es hidrolizada, produciendo burbujas de oxigeno en el ánodo y de hidrogeno en el cátodo. Estas burbujas ayudan a que los flóculos con el contaminante vayan a la superficie, para una fácil separación (Mollah et al, 2004).

2.2.1 Diseño de una celda de electrocoagulación

Un reactor de electrocoagulación en su forma mas simple tiene un ánodo y un cátodo, los cuales están conectados a una fuente de poder externa. Cuando el potencial es aplicado el material del ánodo es oxidado, mientras el material del cátodo es reducido. Para el diseño de una celda de electrocoagulación se deben tener en cuenta los siguientes aspectos (Mollah, 2001; Mollah, 2004;

Holt, 2005; Zumdahl, 2000; Rajeshwar, 1997):

• Tipo de operación: Batch o continuo

• La acumulación de burbujas de O2 y H2 en los electrodos debe ser minimizada ya que estas incrementan la resistencia, necesitándose más energía.

• La transferencia de masa entre los electrodos debe ser óptima y para esto se debe garantizar flujo dentro del reactor.

• La conductividad de la solución y la sustancia electrolita.

• La distancia entre electrodos

• La geometría del electrodo

• Geometría del reactor: influye en la formación de los flóculos, el movimiento de las burbujas y el régimen de flujo.

• Escalado del reactor: mediante los parámetros como la relación área-volumen, el número de Reynolds y la similaridad geométrica se realiza el escalamiento desde el laboratorio a la industria.

• Densidad de corriente: depende del contaminante que se desea remover y de la escala a la cual se realizará el montaje. Determina la dosificación del metal a la solución y la densidad de producción de burbujas.

• Material de los electrodos.

• Voltaje aplicado: es directamente proporcional al costo energético y puede variar por factores como la conductividad de la solución, la distancia entre los electrodos y el material o la geometría de los mismos.

• Tipo de la conexión eléctrica: determinan un mayor o menor gasto de energía.

– Monopolar: los electrodos están conectados en paralelo y sometidos al mismo potencial, generando mayor gasto de energía.

– Bipolar: solo los electrodos de los extremos están directamente conectados a la fuente, los electrodos restantes toman la polaridad opuesta al electrodo que tiene en frente.

A continuación se presentan los esquemas de conexiones en serie y paralelo, además de, las diferentes configuraciones. Ver figuras 1 y 2.

Debido a la electrolisis del agua que produce un desprendimiento de oxígeno e hidrógeno gaseoso en los electrodos, los cuales al ascender a la superficie provocan tres fenómenos:

• Separación rápida de coloides del electrodo.

• Formación de una nata en la superficie fácilmente extraíble por medios mecánicos, debido al arrastre de coloides desestabilizada a la superficie.

• Se produce una agitación espontánea que evita la utilización de agitación mecánica, debido a que las burbujas de gas producen corrientes ascendentes y descendentes en la solución generando una mejor superficie de contacto y por lo tanto un aumento en la eficiencia de la desestabilización. Las condiciones de operación de un sistema de electrocoagulación son altamente dependientes de las condiciones químicas como: pH, tamaño de partículas del agua a tratar y especialmente de su conductividad. Además, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos técnicos:

• Consumos de energía: dependen del tipo de agua a tratar.

• Desgaste de los electrodos: está directamente relacionado con el amperaje de la corriente aplicada al sistema y el tiempo de residencia del agua residual en la celda.

• Producción de lodos: está directamente relacionado con el nivel de contaminación del agua residual y de las especies catiónicas que se disuelven en el agua de acuerdo a la corriente aplicada a los electrodos.

Sin embargo, su generación es menor que en un sistema químico o biológico de tratamiento de aguas residuales (ECOFIELD, 2002).

2.1.2 Ventajas de la electrocoagulación sobre tratamientos biológicos y

físico-químicos

Existen un gran número de métodos para aguas residuales entre los cuales están los tratamientos biológicos y los físico-químicos. La electrocoagulación es un método que tiene gran potencial para eliminar las desventajas de los tratamientos tradicionales. Las principales ventajas de la electrocoagulación son (Mollah, 2001; Mollah, 2004; Holt, 2002; ECOFIELD, 2002):

• La electrocoagulación en aguas residuales requiere una menor superficie, entre un 50 a 60% menor que en los sistemas biológicos.

• El tiempo de residencia para que se lleve a cabo el proceso es mucho menor en la electrocoagulación en comparación con el sistema biológico.

• La electrocoagulación cuenta con unidades compactas, fáciles de operar, con una producción de lodo y consumo energético menor que en los sistemas biológicos y químicos.

• Las celdas de electrocoagulación no requieren de obras civiles importantes para su instalación, en comparación con los sistemas biológicos y químicos que sí lo hacen.

• En las celdas electroquímicas no se utilizan productos químicos, por lo tanto no se presenta una contaminación secundaria por el uso de otras sustancias químicas como se presenta en la precipitación química.

Por todo lo anterior la electrocoagulación presenta unos costos de operación menores que en los sistemas biológicos y químicos.

Otras ventajas que posee la electrocoagulación y son ampliamente presentadas en la literatura son (Mollah et al, 2001):

• El agua residual después de ser tratada con electrocoagulación queda con menos color, menos olor y libre del contaminante.

• El lodo formado en la electrocoagulación es fácil de despojarlo del agua.

• Los flóculos formados por electrocoagulación pueden ser filtrados fácilmente.

• Las burbujas producidas durante la electrocoagulación pueden facilitar la remoción del contaminante, ya que, estas llevan el contaminante a la superficie.

• La electrocoagulación puede ser usada en áreas rurales donde no halla acceso a electricidad con la ayuda de un panel solar.

2.2.3 Algunas desventajas de la electrocoagulación

Las desventajas de esta técnica más mencionadas en la literatura son (Mollah et al, 2001):

• Los electrodos necesitan ser reemplazados con regularidad debido a su oxidación.

• El uso de la electricidad es costoso en algunos lugares

• La formación de una placa de oxido en el cátodo puede disminuir la eficiencia de la electrocoagulación.

• Se requiere una conductividad alta.

2.3 EL PROCESO DE LAS CURTIEMBRES

El principal objetivo de una curtiembre es convertir el cuero crudo en un producto comercializable. Este proceso se puede dividir en tres etapas, las cuales son (Área Metropolitana, 2004; Gil-Pavas, 1997):

• Ribera: se lleva a cabo en varias etapas:

Almacenamiento y recorte del cuero crudo, sometiéndolo a un procedimiento de conservación para evitar su contaminación biológica, que puede ser: secado al aire, salado con sal común o uso de productos químicos.

– Remojo y lavado: el cuero es limpiado con agua y detergentes para eliminar de este cualquier residuo incluyendo los que quedan de la conservación como la sal.

– Pelambre y encalado: eliminación del pelo mediante un tratamiento químico o enzimático.

– Descarnado: eliminación mediante cuchillas del tejido subcutáneo como músculos y grasas.

– Dividido: se corta la piel por la mitad de su espesor para producir dos capas.

• Curtido: se lleva a cabo en varias etapas:

– Desencalado: mediante diluciones acuosas de ácidos, se elimina la cal y productos alcalinos del interior del cuero.

– Rendido (purga): mediante la acción de enzimas se hace un aflojamiento y ligera peptización de la estructura del colágeno.

– Piquelado: utilizado principalmente en el curtido con cromo y con el fi n de eliminar totalmente el álcali que queda en el cuero.

– Desengrasado: sirve para eliminar el contenido de grasa en pieles lanares, mediante el uso de agentes tensoactivos como detergentes sintéticos o disolventes orgánicos como el kerosene.

– Curtido: transformación de la piel en el cuero comercial, mediante un proceso de fijación del agente de curtimbre en la piel, los más utilizados son las sales de cromo y los curtientes naturales o taninos. Luego la piel es lavada para eliminar el exceso de curtiembre.

– Engrase: adición por impregnación de aceites vegetales y animales, con el fi n de obtener un cuero más suave y flexible.

– Recurtido: tratamiento del cuero curtido, con el fi n de obtener un cuero más lleno, con mejor resistencia al agua, mayor blandura o para favorecer la igualación de tintura que no se han podido obtener con la sola curtición convencional.

– Teñido: teñido de las pieles mediante colorantes ácidos o básicos.

– Terminación: comprende varias etapas de acabado, en las cuales se le da al cuero determinadas características de presentación, según sea el producto final.

Este proceso genera una gran carga de material contaminante en los efluentes líquidos, lo cual es producto de la materia prima utilizada y los insumos químicos, que son generados específicamente por algunas etapas del proceso, por ejemplo, la etapa de pelambre genera una gran cantidad de sólidos biodegradables, mientras la etapa del curtido contiene alto contenido de cromo

(CUERONET, 2007).

2.4 ALGUNOS ANTECEDENTES

2.4.1 Tratamiento de aguas contaminadas con cromo

Debido a la concientización que se ha ido adquiriendo respecto a los efectos dañinos que puede causar tanto al entorno como a los seres humanos, la presencia de elementos contaminantes en los efluentes de agua, se han implementado controles mediante la expedición de límites permisibles. Desde hace un tiempo se han venido estudiando la electrocoagulación como tratamiento de aguas residuales. (Moreno-Casillas et al, 2007). A continuación en la tabla 1 se presentan los antecedentes principales a este proyecto.

TABLA 1

Antecedentes de electrocoagulación como tratamiento de aguas residuales

2.4.2 Aguas contaminadas con colorantes

Es claro que la electrocoagulación tiene la capacidad de remover una gran cantidad de contaminantes bajo diferentes

Condiciones, por lo que se ha utilizado en la industria textil para la remoción de colorantes, remoción de metales estados tóxicos como el cromo hexavalente o sales de cromo y desinfección de aguas.

En la tabla 3, se muestran algunas investigaciones relacionadas con el estudio de la electrocoagulación como mecanismo para el tratamiento de efluentes industriales.

Tabla 3

Investigaciones relacionadas con la electrocoagulación

Conclusiones

3.1. Se concluyo que la electrocoagulación aunque no es un método altamente estudiado, tiene un gran potencial para eliminar las desventajas de los tratamientos clásicos para aguas residuales Y además es muy eficiente.

3.2. Se concluyo que la electrocoagulación presenta unos costos de operación por muchos factores analizados menores que en los sistemas biológicos y químicos utilizados para el tratamiento de aguas residuales

3.3. Se concluyo que la mayoría de las industrias si no es por decir todas no tienen un proceso de tratamiento de sus aguas residuales, Y esto causa muchas enfermedades a la población en general, Ya sea porque estas aguas son ingeridas directamente o son utilizadas para cultivar todo tipo de alimento que luego es ingerido por la población, por lo que el uso de la electrocoagulación seria una muy buena alternativa para estas industrias, y así tener un mejor sistema de vida toda la sociedad.

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Autor:

Barrionuevo Robinson

Viera Luis

PROFESOR: DR. JUAN TACORONTE

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL EUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

ELECTROQUÍMICA