DISEÑO DE UN FILTRO ELECTROQUÍMICO PARA LA ELIMINACIÓN DE

METALES PESADOS EN DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALES Entidad financiadora: IMPIVA Programa: I+D Nº de Expediente: IMIDIC/2010/97 Inicio: Enero 2010 Fin: Diciembre 2010 Presupuesto total del ejercicio: 126.000 €

1. Objetivo

El objetivo del proyecto es el diseño y construcción de un nuevo filtro electroquímico que logre la eliminación de metales pesados en aguas con niveles de concentración relativamente bajos (2-5 ppm) de manera eficiente y eficaz energéticamente. El filtro se utilizará como tratamiento de afino para eliminar los metales pesados que pueden escapar al tratamiento físico-químico convencional. Mediante este proceso se pretende conseguir un efluente final de concentraciones por debajo de los límites de vertido más restrictivos (<0,2 – 0,5 ppm).

La solución tecnológica desarrollada duplicará el rendimiento farádico de los sistemas de electrolisis convencionales para los tratamientos de afino y disminuirá su consumo energético.

El filtro funcionará mediante una celda electroquímica, de tal modo que, al aplicar una corriente eléctrica continua entre ánodo y cátodo de la celda, los cationes metálicos presentes en la disolución se depositan sobre el cátodo. Como resultado de esta electrodeposición la concentración de metales presentes en la corriente de salida es menor que la del agua residual de entrada.

Una vez el filtro haya alcanzado su capacidad máxima de retención se regenerará para volver a ser utilizado alargando la vida útil del mismo y recuperando en la corriente de regeneración los metales pesados.

EFLUENTE FINAL DEPURADO

EFLUENTE INDUSTRIAL TRATAMIENTO FÍSICO-QUÍMICO

Eliminación parcial metales pesados (Cu, Ni, Zn)

Retención metales pesados (< 0,2 – 0,5 ppm Cu, Ni, Zn)

FILTRO ELECTROQUÍMICO

2. Actividades del proyecto

En la actualidad los procesos de afino comerciales para eliminación de metales pesados mediante electrodeposición cuentan con una serie de limitaciones:

• Baja transferencia de materia,

• Alto consumo energético,

• Coste de mantenimiento elevado.

Estas limitaciones serán vencidas durante la ejecución del proyecto, aplicando una nueva metodología desarrollada en el proyecto que integra distintas unidades de diseño: el diseño matemático de celdas electroquímicas, la aplicación de nuevas tecnologías de fabricación aditiva EBM “a la carta” para la construcción del nuevo filtro, la simulación hidrodinámica del electrolito, tipo CFD y las pruebas experimentales en reactores piloto.

Las características que interesa estudiar son aquellas que influyen en la transferencia de masa y en la distribución de corriente, ya que gracias a la mejora de éstas se conseguirá el aumento de los rendimientos. Dichas características son, principalmente, la disposición de una gran superficie efectiva, presencia de promotores de turbulencia y una buena distribución de la densidad de corriente. En este sentido el proyecto se centra en los siguientes aspectos básicos o unidades de diseño para alcanzar el objetivo. La correcta integración y estudio de los resultados obtenidos en cada uno de dichas unidades será clave para obtener el objetivo marcado.

Unidades de diseño

La modelización matemática nos permite comprobar y pre-fijar cada una de las variables de estudio, así como controlar cada uno de los parámetros que influyen en el diseño de forma teórica.

La tecnología de fabricación aditiva, EBM, para el diseño y construcción de electrodos tridimensionales permitirá aumentar la superficie efectiva de los electrodos mediante la creación de mallados en los que se pueden controlar tanto porosidad como disposición de celdas en el mallado y con un diseño apropiado (distancias y configuraciones) se conseguirá aumentar la transferencia de materia y con ello el rendimiento másico.

Ejemplos de estructuras espaciales realizadas mediante fabricación aditiva.

Los simuladores de dinámica de fluidos, tipo CFD, permiten mejorar el diseño de flujo del electrolito dentro del reactor y asegurar una buena distribución de la densidad de corriente y con ello el rendimiento farádico.

Por último, las pruebas experimentales nos permiten validar y re-alimentar al sistema de diseño con el fin de realizar el ajuste a un vertido industrial real.

3. Resultados

Hasta la fecha se ha realizado el diseño de dos configuraciones distintas, una tubular concéntrica y otra plana de platos paralelos. De esta forma, además, para la configuración concéntrica se ha diseñado además, una configuración simple, simulando una unidad de celda base, que permita el estudio de forma individual de cada una de las variables que afectan al proceso de electrodeposición.

Para todas las configuraciones se dispone de un reactor de laboratorio versátil para la realización de los ensayos, diseñado en el marco del proyecto, que permite estudiar diferentes trayectorias de flujo, circulación helicoidal mediante entrada tangencial del mismo o entrada uniforme mediante la incorporación de difusores de membrana. Además también cuenta con la presencia de deflectores laterales que aumentan la turbulencia del mismo y la posibilidad de realizar pruebas con cátodos rotatorios.

Reactor de laboratorio

Configuración Concéntrica. Celda Base

Se trata de una celda de electrodos cilíndricos concéntricos coaxiales, en esta celda el cátodo se dispone entre dos ánodos. En este caso se debe estudiar cual es la distancia óptima entre electrodos así como el espesor de los mismos. Con esta misma configuración existe la posibilidad de hacer el cátodo rotatorio.

Celda concéntrica base

Configuración Concéntrica. Multicelda

Al igual que en la configuración simple se dispone de un ánodo exterior, pero en este caso existen múltiples cátodos y ánodos interiores, dispuestos en el interior del ánodo exterior.

El ánodo exterior dispone de una serie de orificios, donde se introducen los cátodos cilíndricos huecos. Al mismo tiempo, en el interior de cada cátodo se colocarán los ánodos en forma de hilo.

Diseño configuración múltiple de los electrodos

Configuración Plana de platos

En este caso se dispondrá de varios ánodos y cátodos en forma de platos circulares de forma que como en las demás configuraciones habrá un cátodo dispuesto entre dos ánodos.

ANODO INTERIOR

ANODO EXTERIOR

CATODO

ANODO EXTERIOR

ANODO INTERIOR

CÁTODO

Durante 2011 se continuará con la realización de dos o tres alternativas como pre-diseño del filtro electroquímico que podrán introducir variaciones en el diseño de los electrodos (ánodo y cátodo) así como en la carcasa del filtro, fase iniciada a finales de 2010. Se diseñaran los electrodos seleccionados, soportes, carcasa, conexionados y sistemas electrónicos. Se llevará a cabo su evaluación mediante técnicas de simulación y optimización hidrodinámica a través de modelización matemática CFD (dinámica computacional de fluidos). Y se iniciará la fabricación de los electrodos, componentes electrónicos y envolventes del filtro, mediante tecnología de fabricación aditiva, para posteriormente llevar a cabo su ensamblaje.