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