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TECNOLOGÍAS ELECTROQUÍMICAS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS:
ELECTROCOAGULACIÓN
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
Instituto Universitario del Agua y las Ciencias Ambientales. Universidad de Alicante.
Alicante, 23 de Enero de 2018
Mª José Moya Llamas. Dr. Ing.C.C.P.
• INTRODUCCIÓN.
• FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LA EC.
• CONFIGURACIÓN Y PRINCIPALES COMPONENTES.
• PRINCIPALES VARIABLES DEL PROCESO.
• COAGULACIÓN VS. ELECTROCOAGULACIÓN.
• APLICACIONES.
• PROCESOS COMBINADOS.
• BIBLIOGRAFÍA.
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
- Muy prometedoras en el campo del tratamiento de aguas tanto
superficiales como residuales.
- Destacan:
- Electro-coagulación,
- electro-diálisis,
- electro-flotación,
- electro-deposición
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
- Muy prometedoras en el campo del tratamiento de aguas tanto
superficiales como residuales.
- Destacan:
- electro-diálisis,
- electro-flotación,
- electro-deposición
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
- Conocida desde hace décadas, la EC se basa en la aplicación de una
corriente eléctrica mediante dos electrodos a una solución electrolítica,
generando agentes desestabilizantes que neutralizan las cargas para la
eliminación de contaminantes de la disolución.
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
Procesos involucrados en
un reactor de EC. Fuente:
Martínez, 2007.
Combina las ventajas de la coagulación convencional con las de los procesos electroquímicos.
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
Medioambientalmente sostenible
Versátil
Selectiva
Segura
Eficiente energéticamente
Fácilmente operable
Automatizable
Ventajas
TECNOLOGÍA EMERGENTE EN EL TRATAMIENTO AVANZADO DE LAS AGUAS
- Tecnología emergente aunque escasamente investigada en el campo del
tratamiento de las aguas residuales especialmente en cuanto a
eliminación/reducción de:
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
EC
Coloides (1-1000 nm)
DQO
Sales (amonio, sulfatos, fosfatos), cianuros, fenoles,
tensioactivos, tintes y colorantes.
Grasas, aceites y
emulsiones
Electro-deposición de metales
pesados (Zn, Pb, Ni, Cr),
Micro-contaminantes
(CEs)
:
Electro-oxidación del ánodo y pasivación del cátodo dando lugar a la formación de
hidróxidos complejos que por absorción forman agregados hidrofóbicos (flóculos) con
los contaminantes facilitando su eliminación bien por decantación o bien por la
electroflotación debido al gas generado en la superficie electródica durante el proceso.
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
:
La EC o coagulación asistida electroquímicamente es la producción electroquímica de
agentes desestabilizantes que neutralizan las cargas para la eliminación de los
contaminantes de la disolución. Las reacciones intervinientes son:
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
- En el caso de ánodo de aluminio: Al →Al3+ (aq) +3e−
Al3+ (aq) +3H2O→Al(OH)3 +3H+ (aq)
nAl(OH)3 →Aln(OH)3n
- En el caso de ánodo de acero. En este caso se genera Fe(OH)n por dos mecanismos:
Mecanismo 1:
Ánodo: 4Fe(s) →4Fe2+ (aq) +8e−
4Fe2+ (aq) +10H2O(l) +O2(g) →4Fe(OH)3(s) +8H+ (aq)
Cátodo: 8H+ (aq) +8e− →4H2(g)
Global: 4Fe(s) +10H2O(l) +O2(g) →4Fe(OH)3(s) +4H2(g)
Mecanismo 2:
Ánodo: Fe(s) →Fe2+ (aq) +2e−
Fe2+ (aq) +2OH− (aq) →Fe(OH)2(s)
Cátodo: 2H2O(l) +2e− →H2(g) +2OH− (aq)
Global: Fe(s) +2H2O(l) →Fe(OH)2(s) +H2(g)
• Celda electrolítica,
• Disolución electrolítica a tratar,
• Electrodos (ánodo y cátodo),
• Fuente de energía eléctrica,
• Conductores,
• Elementos de control y medida.
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
Esquema de un sistema de
electrocoagulación. Fuente:
Arango, A., 2011.
• Según la disposición de los canales:
- De canal único
- De canales múltiples
• Según la disposición de los electrodos:
- En configuración monopolar,
- En configuración bipolar.
• Según la conexión a la fuente de corriente:
- En paralelo,
- En serie.
• Según la morfología de los electrodos:
- Planos,
- Cilíndricos
• Según la entrada del flujo:
- Flujo horizontal,
- Flujo vertical.
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
Disposición de los electrodos en configuración monopolar y
bipolar. Fuente: Martínez, 2007
Configuración de los canales. Fuentes: Martínez, 2007
• Altamente relacionado con la disolución de hidróxido del metal. Diferentes
especies poliméricas generadas en función del pH del efluente ((Al3+, Al(OH)2+,
Al(OH)2+ , Al(OH)3 (precipitado), Al(OH)4-).
• La EC en medio ácido aumenta la acidez del mismo (mayor velocidad de
corrosión). En medios alcalinos aumenta su capacidad buffer.
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
Diagrama de especies poliméricas generadas en función del pH. Fuente: Martínez, 2007.
• La presencia de NaCl o CaCl2 incrementa la conductividad de la disolución y disminuye los
precipitados sobre los electrodos.
• Escasos estudios al respecto. Con electrodos de aluminio la máxima eficiencia se alcanza a
60ºC. En la práctica esto sería ineficiente: se opera a T ambiente.
• Generalmente acero o aluminio. Pueden utilizarse otros metales (titanio/ruterio, indio/talio, DDB
(diamante dopado con boro, etc.)
• Distancia entre electrodos a fin de optimizar el efecto gradiente generado entre ambos. Influye en
el consumo energético.
• Posibilidad de operar alternando cíclicamente la corriente eléctrica (ACE- Alternating Current
Electrocoagulation ).
• Inferior a 20-25 A·m2.
• Aplicación intermitente de la corriente (pulsos ON/OFF) para favorecer desprendimiento capa
óxido.
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En ambos procesos las partículas coloidales suspendidas son neutralizadas por colisión
mutua formando agregados o flóculos capaces de sedimentar.
- En la esto es debido a la interacción con un reactivo (sales
metálicas, polímeros y polielectrolitos. Generalmente Al2(SO4)3·18H2O). Requiere
de agitación mecánica.
- En la , la oxidación electrolítica del ánodo provoca la coagulación
por dos mecanismos: por interacción entre partículas con carga iónica opuesta y
por generación de hidróxidos metálicos. No requiere de reactivos ni de agitación.
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
Ventajas
• Elimina turbidez, color y olor.
• Genera menor volumen de fangos y favorece su acondicionamiento (más hidrófobo, compacto, decantable y manejable).
• Las burbujas de gas en la superficie del electrodo favorecen electroflotación.
• No requiere de reactivos ni de agitación mecánica.
• Menores TRH.
• Alta reducción de compuestos fosforados debido a que la precipitación de iones Fe3+ y Al3+ da lugar a la formación de fosfatos insolubles.
• Alta efectividad frente a un amplio rango de contaminantes.
• P atmosférica y T ambiente.
• Sencillo, fácil de implementar y operar.
Inconvenientes
• Disolución del ánodo (fungible).
• Consumo energético del proceso.
• Presencia de metales en el fango.
• Capa impermeable de óxido en el cátodo. Reduce la eficiencia.
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
• Eliminación de coloides, nitratos, tratamiento de aguas procedentes de presas y
embalses, aguas conteniendo boro, cadmio, cobre, etc. (Maneri et al., 2001; Hu et al.,
2005; koparal y Ogutveren, 2002; Vasudevan et al., 2010)
• Minería y procesado de metales (Díaz et al., 2003; Gao et al., 2005)
• Industria papelera (Zaied and Bellakhal, 2009)
• Aceites y emulsiones (Chen et al., 2000); Tezcan et al., 2007; Khoufi et al., 2007)
• Lecherías (Kushwaha et al., 2010)
• Defluoración del agua,
• Textiles, tintes y colorantes (Bayramoglu et al, 2007; Zaroual et al, 2006)
• Detergentes sintéticos,
• Amoníaco, etc.
• Tratamiento A.R.U. (Pouet and Grasmick, 1995; Jiang et al., 2002; Bukhari, 2008)
• Eliminación del fósforo (eutrofización zonas sensibles) por formación de AlPO4 y FePO4.
(Bektas et al., 2004),
• Pesticidas (Khoufi et al., 2007; Yahiaoui et al., 2011), antibióticos (Laridi et al.,
2005),entre otros CEs.
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
• Tratamiento aguas residuales procedentes de operaciones mecánicas químicas.
(Belongia et al.,1999)
• Tratamiento de A.R.U. (Pouet and Grasmick, 1995)
• Tratamiento de A.R.U. (Bani-Melhem and Elektorowicz, 2011; Hasan et al, 2014; Ibeid et
al., 2013)
Figura Esquema planta
combinada MBR+EC.
Fuente: Bani-Melhem. &
Elektorowicz, 2011
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
Bani-Melhem, K., & Elektorowicz, M. (2011). Performance of the submerged membrane electro-bioreactor (SMEBR) with iron electrodes for wastewater treatment and fouling reduction. Journal of membrane
science, 379(1), 434-439.
Bayramoglu, M., Eyvaz, M., & Kobya, M. (2007). Treatment of the textile wastewater by electrocoagulation: economical evaluation. Chemical Engineering Journal, 128(2), 155-161.
Chen, G. (2004). Electrochemical technologies in wastewater treatment. Separation and purification
Technology, 38(1), 11-41.
Hasan, S. W.; Elektorowicz, M. and Oleszkiewicz, J. A. (2014). Start-Up Period Investigation of Pilot-Scale
Submerged Membrane Electro-Bioreactor (SMEBR) Treating Raw Municipal Wastewater. Chemosphere,
97, pp. 71-77 SCOPUS.
Ibeid, S.; Elektorowicz, M .and Oleszkiewicz, J. A. Novel Electrokinetic Approach Reduces Membrane
Fouling. Water Research, 2013, vol. 47, no. 16, pp. 6358-6366 SCOPUS.
Kuokkanen, V., Kuokkanen, T., Rämö, J., & Lassi, U. (2013). Recent Applications of Electrocoagulation in
Treatment of Water and Wastewater. A Review. Green and Sustainable Chemistry, 3(2), 89-121.
Martínez Navarro, F. (2007). Tratamiento de aguas residuales industriales mediante electrocoagulación y
coagulación convencional. Tesis doctoral. Universidad de Castilla la Mancha. Ciudad Real.
Mollah, M. Y. A., Schennach, R., Parga, J. R., & Cocke, D. L. (2001). Electrocoagulation (EC)—science and
applications. Journal of hazardous materials, 84(1), 29-41.
Ruíz, Á., & Garcés, F. (2009). Influencia de la conductividad eléctrica en la electrocoagulación de aguas
residuales de la industria láctea. Producción+ Limpia, 4(2), 54-64.
TECNOLOGÍAS ELECTROQUÍMICAS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS:
ELECTROCOAGULACIÓN
MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.
Instituto Universitario del Agua y las Ciencias Ambientales. Universidad de Alicante.
Alicante, 23 de Enero de 2017
Mª José Moya Llamas. I.C.C.P. (mjmoya@ua.es)
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