Reacciones y productos electroquímicos para procesamiento y tratamiento de aguas residuales
Introducción
Las aguas residuales resultan de la acumulación
de contaminaste en el agua, una vez que esta fue utilizada por el
ser humano para actividades de tipo agrícola, industrial y
domesticas.
Actualmente con el crecimiento de la población
mundial se ha vuelto un reto proveer agua limpia para toda la
población, especialmente en los países en
vía de desarrollo, a causa de que los cuerpos de agua
están siendo contaminados por residuos industriales y
otras actividades que realiza el hombre. El reuso del agua
residual es ahora una necesidad, la cual esta en busca de
tecnologías efectivas.
El tratamiento que se le debe dar a las aguas residuales
es bastante complejo debido a la gran variedad y cantidad de
contaminantes es muy alta.
El tamaño de las partículas contaminantes
presentes en el agua es muy variado.
Hay sólidos que por su tamaño pueden
observarse a simple vista en el agua y dejando la
suspensión en reposo, se pueden separar bien por
decantación bajo la influencia de la gravedad o bien por
flotación, dependiendo de las densidades relativas del
sólido y del agua. También resulta fácil
separarlas por filtración.
Sin embargo, hay otras partículas muy finas de
naturaleza coloidal denominadas coloides que presentan una gran
estabilidad en agua. Tienen un tamaño comprendido entre
0,001 y 1 &µm y constituyen una parte importante de la
contaminación, causa principal de la turbiedad del agua.
Debido a la gran estabilidad que presentan, resulta imposible
separarlas por decantación o flotación. Tampoco es
posible separarlas por filtración porque pasarían a
través de cualquier filtro.
La causa de esta estabilidad es que estas
partículas presentan cargas superficiales
electrostáticas del mismo signo, que hace que existan
fuerzas de repulsión entre ellas y les impida aglomerarse
para sedimentar.
El tratamiento físico químico del agua
residual tiene como finalidad mediante la adición de
ciertos productos químicos la alteración del estado
físico de estas sustancias que permanecerían por
tiempo indefinido de forma estable para convertirlas en
partículas susceptibles de separación por
sedimentación.
El adecuado tratamiento de aguas residuales industriales
y su posterior reutilización para múltiples usos
contribuye a un consumo sostenible del agua y a la
regeneración ambiental del dominio público
hidráulico y marítimo y de sus ecosistemas. Sin
olvidar que el agua de calidad es una materia prima
crítica para la industria.
Tomando en cuenta estos aspectos, en esta
investigación se plantean los siguientes
objetivos:
1.1. OBJETIVO GENERAL
Conocer los métodos electroquímicos para
procesamiento y tratamiento de aguas residuales, procedentes de
la industria.
1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
1.2.1. Determinar el método electroquímico
más eficiente.
1.2.2. Conocer las ventajas y desventajas de los
métodos electroquímicos utilizados para el
tratamiento de aguas residuales.
1.2.3. Conocer que tipo de componentes contaminantes se
pude eliminar o reducir de acuerdo al método
electroquímico utilizado.
Marco
teórico
2.1. Generalidades.
El uso de la electricidad en el tratamiento de aguas fue
propuesto por primera vez en inglaterra 1889, y se patento un
proceso de electròlisis en 1904 para el tratamiento de las
aguas de consumo. A gran escala se empleo en Estados Unidos en
1943, sin embargo os costos relacionados con la energìa
consumida en los procesos, los hizo perder interes en su
aplicaciòn a nivel mundial. Hoy en dia los nuevos
desarrollos tecnològicos no han logrado bajar los costos
de su utilizaciòn, sin embargo hace a los mètodos
electroquìmicos mucho mas eficientes y compactos por lo
que su uso se a incrementado notablemente. Dentro de los preceso
usados en la actualidad podemos mencionar :
electrocoagulaciòn, electrofloculaciòn,
electrofotaciòn, electrooxidaciòn y
electrocloraciòn.
2.2. Contaminacion del
agua.
Hablamos de agua contaminada cuando esta ha sufrido
alteraciones o un daño de su estado original de pureza,
por la incorporación de sustancias extrañas las
cuales hacen que el agua no pueda ser empleada en sus usos
habituales como por ejemplo el consumo humano, agricultura,
industria, etc
2.3. Metodos electroquimicos para
tratamiento de aguas residuales.
En la actualidad los procesos electroquímicos han
alcanzado un estado en el cual no son solamente comparables desde
el punto de vista económico con otros procesos sino que
también son más eficientes, compactos y
automatizados. Los procesos electroquímicos utilizados en
el tratamiento de aguas se basan en la utilización de
electricidad para producir una reacción química
destinada a la eliminación o destrucción del
contaminante presente en el agua. Básicamente el sistema
electroquímico está formado por un ánodo,
donde ocurre la oxidación, un cátodo, donde tiene
lugar la reducción y una fuente de corriente continua
encargada de suministras la electricidad. Los parámetros
claves a la hora de aplicar un proceso electrolítico son
diseño del reactor, naturaleza de los electrodos, y
diferencia de potencial y/o corriente de trabajo. En este
artículo se verán brevemente los distintos procesos
electroquímicos empleados en el tratamiento de
agua.
2.4.
Electrocoagulación
El fundamento teórico de la
electrocoagulación, consiste en:
Separación rápida de coloides del
electrodo, evitando que se ensucie.Arrastre de coloides desestabilizados a la
superficie formando una nata, posibilitando no sólo
una extracción por sedimentación
clásica, sino también, por
flotación.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".
Figura 1: Esquema grafico de la
electrocoagulación.
PROCESO
Método de desestabilización de
coloides en el agua mediante la adición de iones con
cargas opuestas.En el proceso de Electrocoagulación, el
coagulante se genera in situ por oxidación
electrolítica del ánodo de un material
apropiado.La Electrocoagulación ofrece una alternativa
a la utilización de sales de metal o polímeros
y la adición de poli electrolitos para romper
emulsiones y suspensiones.Aunque el mecanismo de Electrocoagulación se
asemeja a la coagulación química en que las
especies catiónicas son responsables de la
neutralización de las cargas superficiales, las
características de ésta difiere
dramáticamente de la coagulación
química. Un rebaño electrocoagulador tiende a
contener menos agua ligada, es más corto, resistente y
fácil de filtrar.
VENTAJAS
Entre las ventajas de la Electrocoagulación
tenemos:Se requiere de equipos sencillos y de fácil
operación con costos de operación de
aproximadamente el 50% de los clásicos
tratamientos.Los lodos formados por Electrocoagulación
tienden a ser fáciles de desaguar, contienen menos
agua, son inertes, higienizados, siendo aptos para el
compostaje.Son más fáciles de filtrar.
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, evitándose así la
contaminación secundaria, causada por sustancias
químicas añadidas.Elimina requerimientos de almacenamiento y uso de
productos químicos.
2.5.
Electroflotación
La electroflotación es uno de los variados
procesos electroquímicos en el tratamiento de aguas
residuales, que cada vez están adquiriendo mayor
importancia por su versatilidad, reducido tamaño y
capacidad de automatización. La electroflotación es
un interesante proceso desarrollado para el tratamiento de
suspensiones diluidas. En él se generan
electrolíticamente burbujas de gas en el interior de la
suspensión que se unen a las partículas
sólidas provocando el ascenso de las mismas a la
superficie. Como las burbujas son muy pequeñas, tienen una
elevada superficie especifica siendo por tanto muy eficaces para
suspensiones de partículas finas. Este método ha
sido desarrollado especialmente para el tratamiento de efluentes
industriales diluidos, incluyendo suspensiones y coloides, sobre
todo aquellos que contienen péquelas cantidades de
materiales orgánicos. Permite separar las suspensiones
diluidas en una suspensión concentrada y un líquido
claro y, al mismo tiempo, permite la oxidación en el
electrodo positivo de materia orgánica no
deseada.
Figura 2: Esquema de un proceso de
electroflotación.
El sistema de electroflotación se realiza en un
tanque por el que pasa el efluente a tratar. En el fondo de
éste, se localizan los electrodos de modo que el
cátodo queda por encima del ánodo. A través
de estos electrodos, circula una corriente eléctrica que
provoca la electrólisis del agua con la consiguiente
formación de pequeñas burbujas de oxígeno
(en el ánodo) y de hidrógeno (en el cátodo.
Dichas burbujas arrastrarán en su trayectoria ascendente
hacia la superficie, las pequeñas partículas que se
encuentren en suspensión en el efluente a tratar. Para
favorecer la eliminación de los contaminantes se utilizan
floculantes antes de tratar el agua en el sistema de
electroflotación.
Figura 3. Ventajas del uso de la electroquímica como
tratamiento de aguas residuales
2.6. Electrooxidación
La invención está relacionada con las
técnicas empleadas en el tratamiento de aguas residuales
y, más particularmente, está relacionada con un
procedimiento e instalación para tratar aguas residuales,
preferentemente aguas negras y aguas grises, mediante
electrólisis, donde se realiza un proceso de
electro-oxidación.
Las actividades industriales o domésticas generan agua
residual que necesita ser tratada antes de ser descargada o
reciclada, numerosos métodos han sido creados para este
fin, entre ellos, se ha utilizado recientemente el
tratamiento electroquímico.
El objeto de la invención es proveer un nuevo
procedimiento para tratamiento de aguas residuales,
preferentemente aguas negras (con materia fecal), aguas grises
generadas en el lavado de manos o una combinación de las
mismas.
¿En qué consiste el procedimiento?
Para ello se ha desarrollado un procedimiento, en donde
inicialmente el agua residual se desbasta para eliminar de ella
sólidos gruesos, luego se almacena temporalmente en un
primer depósito, entonces se trituran los sólidos
existentes en el agua desbastada que se encuentra en el primer
depósito para disminuir su tamaño.
Una vez que se han triturados las partículas, el agua
se almacena en un segundo depósito; de ahí el agua
se envía hacia un reactor electroquímico en donde
se realiza una electro-oxidación suministrando al reactor
corriente eléctrica para obtener agua depurada.
Desde el reactor, el agua se recircula hacia el segundo
depósito para medir ahí su pH, turbidez y
conductividad; y, desde el segundo depósito se
filtra el agua depurada una vez que, en el segundo
depósito, el agua cumple con valores establecidos de pH,
turbidez y conductividad.
En el procedimiento de la invención, el agua residual a
tratar es agua negra con materia fecal, agua gris generada por el
lavado de manos o una combinación de ambas. Una vez que se
ha realizado el procedimiento el agua depurada tiene una turbidez
máxima de 1 NTU.
En otro aspecto de la invención, se provee una
instalación para realizar tratamiento
electroquímico de agua residual, la instalación
comprende una rejilla donde se desbasta el agua residual que
ingresa a la instalación; asimismo, la instalación
comprende un primer depósito donde se almacena
temporalmente el agua que ha sido desbastada; otro elemento de la
instalación son medios para triturar las partículas
del agua que se encuentra en el primer depósito, los
medios de trituración estando en comunicación de
flujo con el primer depósito.
Otro elemento importante de la instalación es un
segundo depósito en comunicación de flujo con
los medios trituradores donde se almacena el agua con
partículas trituradas.
Finalmente, existe un filtro para filtrar el agua
que ha sido depurada electroquímicamente y que cumple con
las condiciones de pH, turbidez y conductividad, el filtro
se encuentra en comunicación de flujo con el segundo
depósito.
Tal como se puede observar, el núcleo de la
instalación es el reactor electroquímico que tiene
ánodos de rutenio, iridio o diamante, dichos ánodos
se encuentran dispuestos en el reactor en una
configuración de placas paralelas.
Figura 4: Esquema de un proceso de electrooxidacion
Cuadro 1: Cuadro comparativo entre electrooxidación y
tratamiento biológico.
Fuente:
http://www.procontrolsl.com/productos-patentados/proelox-sistema-de-tratamiento-de-aguas-por-electrooxidacion
Cuadro 2: Cuadro comparativo de
diferentes oxidantes químicos.
Fuente:
http://www.inese.es/html/files/pdf/amb/iq/361/30articulo.pdf
2.7.
Electrocloración.
El proceso de electrolisis consiste
básicamente en hacer pasar una corriente eléctrica
mediante dos electrodos sumergidos en una célula
electrolítica. La conducción es posible gracias a
los iones procedentes de las sales en disolución entre los
que se encuentran los iones Cl- de los cloruros.En el
ánodo el ión Cl- transfiere un electrón al
circuito eléctrico en una reacción de
oxidación formando cloro molecular Cl2.En el cátodo
el agua es reducida (adquiere un electrón) y se descompone
formando hidrógeno gaseoso e iones hidroxilo. (Esta
reacción ocurre más fácilmente que la
reducción de los cationes provenientes de las sales).Las
especies formadas en ánodo y cátodo, Cl2 y OH-
respectivamente, tienen libertad para mezclarse y terminan
reaccionando entre sí produciendo iones hipoclorito, uno
de los principales oxidantes en el proceso de cloración y
que desencadenaran todo el proceso de
desinfección.
La oxidación del ión cloruro para formar
el cloro gaseoso requerido no es desde el punto de vista
termodinámico la reacción mas probable en un
ánodo. En condiciones normales, la oxidación del
agua y la consiguiente generación oxígeno e iones
H+ predomina. Para construir un electroclorador útil es,
pues, necesario favorecer la producción de cloro e inhibir
la producción de oxigeno. Esto se consigue recubriendo los
electrodos con un catalizador adecuado. El recubrimiento
catalítico habitual en los sistemas de
electrocloración es el oxido de rutenio y otros metales
preciosos. Los electrodos así recubiertos proporcionan un
rendimiento químico y energético suficiente para la
mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, su capacidad de
producción está condicionada a la existencia de una
reserva de iones cloruro prácticamente ilimitada,
asegurada por un aporte externo de sal (NaCl).
Figura 5: Diagrama
electrocloración
2.8. Electrofloculacion
La electrofloculación es muy adecuada para tratar
los efluentes difíciles. Este proceso permite tratar
grandes caudales con bajos costes 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.
2.9. Ventajas del tratamiento
electroquímico para la eliminación de
contaminantes.
El metal se recupera en su forma de
mayor valor.No se necesita agentes extras, el se
puede reciclar.Se puede lograr control
electroquímico del pH de la
solución.Se minimiza la producción de
lodos.Se pude lograr la deposición
selectiva de metales.Se puede lograr a deposición de
algunas aleaciones.Costos de operación
bajos.Uso simple y compacto.
Compatibilidad ambiental: si se
diseña adecuadamente el proceso electroquímico
es posible convertir los componentes tóxicos en
productos de bajo, o nulo, impacto ambiental. También
se la considera una tecnología "limpia" .Versatilidad: es posible utilizar un
mismo sistema de tratamiento para eliminar distintos
compuestos tóxicos sin mayores cambios de los
diseños ni en los electrodos empleados.Eficiencia de energía: si se
controla las reacciones competitivas , empleando electrodos
con adecuada actividad catalítica, es posible lograr
altas eficiencias en la energía eléctrica
empleada. Idealmente una conversión del
100%.Selectividad: la posibilidad de
controlar el potencial del electrodo de trabajo, ánodo
o cátodo, permite seleccionar la reacción
electroquímica deseada.Aromatización: si el tratamiento
se va a emplear rutinariamente para un determinado tipo de
residuo, es factible automatizar totalmente el proceso con la
posibilidad actual de adquirir y procesar datos
experimentales en tiempo real
2.10. Desafíos
tecnológicos de los tratamientos
electroquímicos
Las concentraciones tienen que ser
bajas. El proceso controlado por el transporte de
masa.La disminución de la
concentración del metal disminuye la eficiencia de la
corriente.Se requiere de un electrolito de
soporte.Se debe prevenir o minimizar la
reacción de desprendimiento de H2 o reducción
de O2.La superficie del cátodo cambia
sus propiedades con el tiempo.Los elementos tridimensionales pueden
sufrir aglomeraciones.
Resultados y
análisis
De acuerdo a la investigación realizada podemos
dar los siguiente resultados de dos métodos para
tratamiento de aguas residuales.
Los cuales son :
Electrocoagulación.
Electrooxidación
3.1. Electrocoagulación
3.1.1. Resultados de la tesis DEISY
REYES ÁVILAIVAN DARÍO MERCADO MARTÍNEZ
de la Universidad Nacional de Colombia ¨Estudio de
trazabilidad por electrocoagulación de los
lixiviados del relleno sanitario la
esmeralda.¨
A continuación de muestran los datos de
remoción obtenidos para diferentes tiempos y volates
utilizando electrodos de aluminio.
Cuadro 3: Datos de remoción
obtenidos.
A continuación de muestran los datos de
remoción obtenidos manteniendo constantes el voltaje y
variando el tiempo.
Cuadro 4: Datos de remoción obtenidos
variando los parámetros.
3.2 . Electrooxidación
3.2.1. Resultados de J.Mº.Oliver
, Director de Desarrolllos ecologicos
industriales."Oxidacion quimica para residuales
industriales."
Cuadro 5: Tabla de resultados obtenidos con el
método de electrooxidación.
3.3. Análisis de Resultados.
La electrocoagulación se ve es un proceso muy
eficiente en el tratamiento de aguas residuales aunque
según los resultados hay un mejor funcionamiento para el
control de aguas provenientes de las industria en lo que se
refiere a DQO y a su coloración debemos aclarar que los
datos pueden tener variables como el número de veces que
pasa por el tratamiento que en las industrias habla de 5 veces y
en la minera de una pero complementada con la
floculación.
Nuestra meta es dar una idea de la eficiencia de la
electrocoagulación para la industria textil o minera y
aunque se ve que el proceso por sí mismo no dará el
resultado esperado (en una sola etapa) al aumentar el
número de procesos o complementarlo con un otro adicional
la electrocoagulación es viable para cualquiera de las dos
industrias en lo que a eficiencia y regularización de
normas se refiere ahora que en viabilidad en cuanto a costo
económico no ha sido estudiada y esto dependerá del
provecho que se obtenga del tratamiento.
La electrooxidación como se puede ver en el
cuadro 5 también se obtienen resultados muy satisfactorios
pues el valor de DQO de salida con respecto al de entrada
disminuye casi un 96%, por lo que se puede decir que el
método de electrooxidación para aguas residuales es
muy eficiente.
Conclusiones
4.1. Con la realización de esta
investigación se puede concluir que los proceso
electroquímico son de gran utilidad en cuanto al
tratamiento de aguas residuales, pues contribuyen a la
reutilización del agua y a la regeneración
ambiental.
4.2. Los procesos electroquímicos no son
solo comparables desde el punto de vista económico con
otros procesos sino que también son más eficientes,
compactos y automatizados. Los procesos electroquímicos
utilizados en el tratamiento de aguas se basan en la
utilización de electricidad para producir una
reacción química destinada a la eliminación
o destrucción del contaminante presente en el
agua.
4.3. Según los datos recopilados y la
investigación realizada se puede decir que el proceso de
electrocoagulación presenta mejores resultados para el
tratamiento de aguas residuales provenientes de industrias
textiles ya que según se muestra para conseguir estos
porcentajes en la remoción de metales pesados de aguas
residuales provenientes de una mina es necesario implementar otro
proceso a parte de la electrocoagulación como lo es la
floculación lo que implica la inversión de
más recursos económicos y mayor cantidad de
tiempo.
4.4. Otro de los métodos
electroquímicos eficientes según la
investigación es el método de
electrooxidación pues permite tratar una gran variedad de
contaminantes orgánicos, ocluyendo tóxicos o
refractarios a la oxidación biológica. Es un
proceso que puede trabajar en forma continua.
Bibliografía
Trabajo de tesis tesis DEISY REYES
ÁVILAIVAN DARÍO MERCADO MARTÍNEZ de
la Universidad Nacional de Colombia ¨Estudio de
trazabilidad por electrocoagulación de los
lixiviados del relleno sanitario la
esmeralda.¨ 2003Trabajo de investigación de
J.Mº.Oliver , Director de Desarrolllos ecologicos
industriales."Oxidacion quimica para residuales
industriales."Tratamiento de aguas
http://www.procontrolsl.com/productos-patentados/proelox-sistema-de-tratamiento-de-aguas-por-electrooxidacion
?Mollah, P., Morkovsky., Gomes J.A.G.,
Kesmez, M., Parga J. and Cocke D.L. Fundamentals, present and
future perspectives of electrocoagulation, an future
perspectives of eletrocoagulation. J. Hazard. Mater. 114
(1–3) (2004) 199–210.
MONOGRAFIA DE INVESTIGACION
Autor:
Dr. Enrique Tacoronte
Valeria Martinez
Livia Quishpe
CUARTO SEMESTRE PARALEO II
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA
2013-12-16