- Introducción
- Procesos y
productos electroquímicas para tratamientos de
aguas - Conclusiones
- Bibliografía
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
