Tratamiento de agua sinttica de fcula de maz y cido tnico mediante electrodisolucin y floculacinJawer D. Acua; Natalia Alarcn; Diana R. Lpez; Miguel A. PalominoEscuela de Ingeniera Qumica, Facultad de Ingeniera, Universidad del ValleSantiago de Cali, 23 de Abril de 2013

Resumen: Se determin la capacidad de reduccin de color y turbidez de la planta de electrodisolucin y floculacin de la escuela de Ingeniera Qumica de la Universidad del Valle en el tratamiento de un agua sinttica (1000ppm de fcula de maz y 3000ppm de cido tnico), evaluando los efectos de la carga elctrica especfica (300culombios/litro) y el pH (9.5, 10.5 y 11.5), encontrando que los mayores porcentajes de reduccin de color y turbidez se dan a pH ms alto (11,5) y corresponden a 89,49% y 94,32% respectivamente. Los resultados del anlisis evidencian que la acidez o alcalinidad de las soluciones afecta en forma significativa a la eficiencia del tratamiento.

Palabras clave: Electrodisolucin, Floculacin, Tratamiento de efluentes.________________________________________________________________________________

INTRODUCCINEn los ltimos aos se ha incrementado el inters por el desarrollo de tecnologas econmicas y efectivas para la remocin de contaminantes presentes en las aguas residuales, los cuales por su variada naturaleza resultan difciles de eliminar, complicando consecuentemente el tratamiento y elevando los costos del mismo. Las aguas residuales industriales contienen compuestos altamente txicos, que causan problemas de color, olor y sabor en el agua y no son fcilmente removibles por tratamientos biolgicos, por lo que deben emplearse procesos de oxidacin avanzada como los mtodos electroqumicos Un ejemplo de estos procesos de oxidacin avanzada son las que se fundamentan en la electrocoagulacin la cual se define como un proceso efectivo para desestabilizar finamente las partculas dispersas en el agua natural o residual, en este caso, se emple un electrodo de hierro, y cuando se aplica corriente elctrica, el nodo producen iones de hierro (Fe2+), estos iones generados electroqumicamente son buenos coagulantes y pueden hidrolizarse cerca del nodo para producir una serie de intermediarios activados que son capaces de desestabilizar las partculas dispersas presentes en el agua [1]Fe Fe2 + 2e- 2H2O + 2e- 2OH- + H2Fe + 2H2O Fe(OH)2 + H2Las partculas desestabilizadas se unen para formar flculos, los cuales se aglomeran incrementando su tamao y facilitando la precipitacin. La planta piloto de electrodisolucin que se us durante esta prctica est diseada para operar bajo diferentes configuraciones de proceso, lo que permite tratar diferentes tipos de aguas residuales y soluciones sintticas como es el caso, cuya composicin es 1000ppm de fcula de maz y 3000ppm de cido tnico en 15 L de solucin. El propsito de este estudio fue determinar la capacidad de reduccin de color y turbidez del proceso de electrodisolucin y floculacin por medio de los equipos HACH 2100N turbidimeter y espectrofotmetro visible Thermo scientific, y evaluar el efecto del pH de la floculacin en la reduccin de color y turbidez, los pH utilizados son 9,5 10,5 y 11,5.

MATERIALES Y METODOSLas pruebas se llevaron a cabo en la planta de electrofloculacin (vase figura 1) que consta de los siguientes componentes [2]: 1 Reactor con 46 placas de hierro, 1 dosificador de cal, 4 bombas de diafragma con variacin de flujo manual y automtico, 1 bomba centrfuga, 1 fuente de voltaje con capacidad de 20 VDC y 10 Amp DC, 9 tanques en acero inoxidable (Tanque Alimentacin, tanque reactor, tolva cal, tanque Perxido, tanque poliamida, tanque Sedimentador, tanque lodos y tanque sobrenadantes. Adicionalmente se tiene un computador de escritorio, fuente de Voltaje 20 VDC y 10 A DC, balanza analtica, agitador mecnico, pH-metro (debidamente calibrado), turbidmetro, espectrofotmetro UV-vis, horno de conveccin.La electrodisolucin se llev a cabo durante 9min 23s con una intensidad de corriente de 8A, los cuales se aplicaron a 15L de la solucin sinttica. Posteriormente se tomaron muestras de 3L, las cuales se llevaron al tanque reactor, donde se adicion la lechada de cal para llevar el pH a cada uno de los valores establecidos. Debido a inconvenientes presentados con el tanque floculador, la adicin de poliacrilamida (PAM) para la coagulacin, se realiz en un vaso de precipitados, hasta obtener una concentracin de PAM de 10ppm. Despus de la floculacin, la sedimentacin se realiz tambin en vasos de precipitados, durante 1h antes de tomar las muestras de lodos y clarificados.Las mediciones de turbidez y color se llevaron a cabo en los siguientes equipos: HACH 2100N turbidimeter con unidades de NTU y en el espectrofotmetro Thermo scientific con unidades Pt/Co, midiendo absorbancia a una longitud de onda 340nm, respectivamente. En la determinacin de la turbidez, se diluyen las muestras en un factor de 5, adicionando 6mL de solucin a 24mL de agua destilada; en el caso de la medicin de color, el factor de dilucin utilizado es de 10, adicionando 1mL de solucin en 9mL de agua destilada. Las diluciones son necesarias debido a que los parmetros en las muestras se encuentran por fuera del rango configurado para realizar las mediciones.Antes de utilizar el espectrofotmetro, las soluciones se filtran con el fin de eliminar los slidos suspendidos que pueden afectar la medicin al absorber y difractar la luz incidente.La planta cuenta con equipos elctricos y electrnicos que permiten el control automtico de las bombas, la temperatura dentro del reactor, la dosificacin de cal, la fuente de voltaje y la plancha de agitacin.Para la determinacin de la humedad en los lodos, se realiz un filtrado de los mismos, y se pes la cantidad remanente en los filtros, posteriormente se secaron en un horno de conveccin natural, a 110C durante 2h, y se pesaron los lodos secos.

RESULTADOS Y DISCUSINLa disolucin del nodo de hierro se realiz con la carga elctrica especfica ya nombrada de 300 C/L, y una fuente de 8A, lo cual corresponde al siguiente tiempo de carga para un volumen de 15L:

Con el anterior tiempo de carga, y de acuerdo a la ley de Faraday, la cantidad de hierro disuelto durante la electrodisolucin est dada por la siguiente ecuacin [3]:

Donde I corresponde a la intensidad de corriente, t es el tiempo de carga, Mw es el peso molecular del metal a disolver, F es la constante de Faraday, n es el nmero de electrones involucrados en la reaccin (para el caso del hierro n=2) y w es la cantidad de metal disuelto. As que la concentracin terica alcanzada despus de la electrodisolucin es:

Lo que corresponde a 87ppm de hierro como coagulante. Durante el anterior proceso de electrodisolucin, se disminuye el pH, y para llevarlo a los deseados se adicionaron distintas cantidades de la solucin de cal, en la siguiente tabla se muestran dichos volmenes y el peso de cal tipo N utilizado en cada muestra:

Tabla 1. Datos de pH y solucin de calpHinicialVsolucin (mL)pHfinalwCa(OH)2 (g)

4,90209,561,00

4,933310,491,65

5,026511,503,25

En el tratamiento de aguas residuales, se tienen en cuenta diferentes variables, para establecer que tan efectiva y eficiente fue la remocin de materia orgnica en el efluente, algunas de las ms analizadas son el color y la turbidez.

Reduccin de turbidez y colorLa turbidez es una medida indirecta de los slidos suspendidos en la muestra, se realizaron mediciones previas y posteriores a la electrofloculacin, con el fin de calcular el porcentaje de reduccin de la turbidez. Debido a la alta turbidez de la muestra inicial, fue necesario diluir en un factor de 5 las muestras, con agua destilada, antes de tomar las mediciones, los datos se muestran en la siguiente tabla, con el correspondiente porcentaje de reduccin para cada uno de los pH analizados:

Tabla 2. Turbidez de los clarificadosMuestraTurbidez (NTU)%Reduccin de turbidez

Inicial30,8-

pH 9,514,453,25

pH 10,52,8790,68

pH 11,51,7594,32

Las muestras analizadas corresponden a los clarificados del proceso de floculacin.Los datos de la tabla 2 correspondientes a la reduccin de turbidez, se muestran graficados contra pH en la figura 2. Figura 2. Reduccin de turbidez vs pH

En la anterior figura se evidencia que la reduccin de turbidez es mayor, cuando el medio en el cual se realiza la floculacin es ms alcalino, hay una mayor reduccin de la turbidez, en los casos de pH inicial 10,5 y 11,5 dicha reduccin fue superior al 90%.Por otro lado, el color se tiene en cuenta como parmetro de respuesta debido a que algunos compuestos orgnicos dentro de los efluentes, absorben la luz y la reflejan o difractan selectivamente, el color permite establecer de forma indirecta la concentracin de esta clase de compuestos indeseados, la medicin se realiza por medio del espectrofotmetro calibrado con una curva estndar de color Pt/Co, el cual mide la absorbancia de la muestra, a menor concentracin de compuestos orgnicos indeseados, es menor la cantidad de radiacin absorbida.Debido a la cantidad de cido tnico que posee la muestra inicial es muy grande, fue necesario diluir en agua destilada las soluciones, en un factor de 10. A diferencia de la turbidez, el color es una medida lineal, y los resultados obtenidos se pueden multiplicar por el factor de dilucin para determinar el valor real de la variable en la muestra inicial y los clarificados. Los datos se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 3. Color en los clarificadosMuestraColor (Pt/Co)%Reduccin de color

Inicial1868,0-

pH 9,5629,766,29

pH 10,5258,386,17

pH 11,5196,489,49

Los porcentajes de reduccin de color mostrados en la tabla 3 se graficaron versus el pH en la figura 3, para facilitar el anlisis.

Figura 3. Reduccin de color vs pH

Al comparar las figuras 2 y 3 se observa que las reducciones de color y turbidez tienen comportamientos similares, es decir, ambas incrementan en medios bsicos, para el caso del color, el mayor porcentaje de reduccin corresponde al 89,49%, en la muestra floculada con un pH inicial de 11,5.Los resultados obtenidos en ambos parmetros corresponden a los esperados en el experimento, debido a que en estudios anteriores [4] [5] se ha demostrado que al realizar electrofloculacin con electrodos de hierro, los pH ms altos presentan mayores tasas de crecimiento de los flculos, lo cual permite formar partculas ms voluminosas, que se precipitan con mayor facilidad, arrastrando los slidos suspendidos en la muestra, en este caso la fcula de maz con la que se prepar la solucin sinttica, disminuyendo la turbidez de los clarificados.El efecto del pH en la electrocoagulacin y electrofloculacin no solo est relacionada con el crecimiento de los flculos, sino con la solubilidad de los hidrxidos metlicos [6], debido a que estos son los que se precipitan y arrastran los coloides de la solucin, se ha demostrado en forma experimental que para el caso de los hidrxidos de hierro, la solubilidad disminuye al incrementar el pH.La reduccin de color en las muestras, es consistente con la remocin del cido tnico, el cual a diferencia de la fcula de maz, se disuelve en el agua, por lo tanto su precipitacin responde a un mecanismo ms complejo [7]. Las molculas del cido tnico pueden ser removidas por medio de adsorcin en los hidrxidos metlicos y en los coloides presentes, as como por reacciones de complejacin con el hierro, donde se forman ligandos que unen dichas molculas a los hidrxidos metlicos insolubles que se precipitan, en forma paralela a la formacin de ligandos, se presenta la atraccin electrosttica de las molculas de colorante con los hidrxidos, debido a que las partculas de cido tnico tienen carga neta negativa. [8]

Humedad de los lodosEn la siguiente tabla se encuentran los datos correspondientes a los pesos de los lodos hmedos y secos de las muestras, as como el porcentaje de humedad de los mismos (Se utilizaron 18mL de cada muestra):

Tabla 4. Humedad en los lodosMuestraPeso del lodo (g)%Humedad en lodos

HmedoSeco

9,56,98760,855287,76

10,55,44610,852884,34

11,56,00220,867085,56

En la tabla anterior no se observan tendencias claras sobre las cantidades de lodos, ni sobre el porcentaje de humedad de los mismos.

Posibles causas de errorDurante la realizacin del experimento, hubo varios inconvenientes que pueden afectar directamente los resultados obtenidos.El tanque floculador de la planta piloto, se reemplaz por un vaso de precipitados debido a que no se cunta con un control de flujo en el desage, lo que impide controlar el tiempo de floculacin. Otra causa o fuente de error se debe a que el vaso de precipitados no tena un flujo de salida en la parte inferior, por lo que los lodos se deban extraer con una pipeta, si este proceso de extraccin de no se haca de manera cuidadosa, se corra el riesgo de llevar mezclar parcialmente las fases.Otro aspecto a tener en cuenta era la lechada de cal que se usaba para regular el pH de la solucin, despus de un tiempo la cal se asentaba en el fondo del recipiente y se deba agitar antes de verterla dentro de la solucin, adems despus de depositar la lechada en la solucin, se deba mezclar la muestra para asegurar su homogeneidad, debido a que el agitador magntico no cuenta con suficiente potencia para los 3L a tratar.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONESEn procesos de tratamiento de aguas por electrodisolucin y floculacin, es conveniente trabajar a pH alto para conseguir mayores eficiencias de remocin de color y turbidez, en el estudio se encontr que a mayor pH estos indicadores aumenta, pero no se puede asegurar que 11,5 sea el ptimo para desarrollar el proceso.El tratamiento de electrodisolucin y floculacin es viable para la eliminacin de slidos suspendidos, y colorantes en soluciones, lo cual se demuestra con las buenas eficiencias de remocin de color y turbidez observadas (89,48% y 94,32% respectivamente), en especial a pH 11,5.Se recomienda acoplar un regulador de flujo a la salida del tanque floculador, que permita controlar el tiempo del proceso. Para garantizar la comparabilidad de los datos, todos los tratamientos deben ser llevados a cabo en los mismos tiempos.

BIBLIOGRAFA[1] Castilla, D. Gua de laboratorio: Tratamiento de efluentes mediante electrodisolucin y floculacin. Santiago de Cali (2013)[2] GAOX. Manual de operacin de planta piloto de electrodisolucin-floculacin. Santiago de Cali (2013).[3] Sasson, M., Calmano, W., Adin, A., Iron-oxidation processes in an electroflocculation (electrocoagulation) cell. Journal of Hazardous Materials, 171, 704-709, (2009).[4] Xiao, F., Zhang, X., Ma, J., Indecisiveness of electrophoretic mobility determination in evaluating Fe(III) coagulation performance. Separation and Purification Technology 68, 273-278, (2009).

[5] Zayas, T., et al., Applicability of coagulation/flocculation and electrochemical processes to the purification of biologically treated vinasse effluent. Separation and Purification Technology, 57, 270-276, (2007).[6] Chen, G., Electrochemical technologies in wastewater treatment. Separation and Purification Technology, 38, 11-41, (2004).[7] Chang, E., et al., Decolorization, mineralization, and toxicity reduction of acid orange 6 by iron-sacrificed plates in the electrocoagulation process. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 82, 488-495, (2007)[8] Sengil, I., Ozacar, M., The decolorization of C.I. Reactive Black 5 in aqueous solution by electrocoagulation using sacrificial iron electrodes. Journal of Hazardous Materials, 161, 1369-1376, (2009).