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Revista Lasallista de Investigacin

ISSN: 1794-4449

[email protected]

Corporacin Universitaria Lasallista

Colombia

Arango Ruiz, lvaro

La electrocoagulacin: una alternativa para el tratamiento de aguas residuales

Revista Lasallista de Investigacin, vol. 2, nm. 1, enero-junio, 2005, pp. 49-56Corporacin Universitaria Lasallista

Antioquia, Colombia

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=69520109

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Resumen

Uno de los desafos mayores que enfrenta hoy lahumanidad es proporcionar agua limpia a una in-mensa mayora de la poblacin mundial. Por ello,hay una necesidad urgente de desarrollar tcnicasinnovadoras, ms eficaces y econmicas para el tra-tamiento de aguas residuales. La electrocoagula-cin, una tecnologa conocida desde principios delsiglo XX, ha evolucionado, siendo eficazmente apli-cada en la actualidad para el tratamiento de las aguasresiduales de la industria del papel, la minera y laindustria de metales pesados. Adems, laelectrocoagulacin se ha aplicado para tratar aguaque contiene la prdida de alimentos, grasas, tintes,partculas suspendidas, entre otros. Desde estaperspectiva, la electrocoagulacin se convierte en

un proceso electroqumico que puede tener resulta-dos exitosos en su aplicacin, optimizando los fac-tores que lo conforman, alcanzando el reto de prote-ger, conservar y recuperar el recurso hdrico.

Palabras clave: Tratamiento de aguas residuales.Electrocoagulacin. Electrlisis. Electrodos. Coagu-lacin, Electroflotacin.

Artculo de Revisin

La electrocoagulacin: una alternativa para el tratamiento

de aguas residuales

lvaro Arango Ruiz1

Lnea de investigacin: Tratamiento de aguas. Grupo de Investigacin Aplicada en Medio AmbienteGAMA. Semillero de Investigacin en Gestin y Medio Ambiente SIGMA.

Electrocoagulation: an alternative in wastewaters treatment

1 Ingeniero Qumico. Especialista en Ingeniera Ambiental. Candidato a Maestra en Ingeniera Ambiental, UPB. Profesor Facultad de Ingenie-ras, Programa Ingeniera Ambiental, Corporacin Universitaria Lasallista.

Correspondencia: lvaro Arango Ruiz, email: [email protected]

Fecha de recibo: 01/06/2005; fecha de aprobacin: 19/07/2005

Abstract

One of the biggest challenges faced by humanitytoday is to provide potable water to most of mankind.Therefore, there is an urgent necessity to developinnovative techniques, more effective and cheap,to treat waste waters. Electrocoagulation is a tech-nology known since the beginning of 20 thCentury, ithas evolved and been used for thecurrent wastewater treatment in paper, mining andheavy metal industries. Besides, electrocoagu-lation has been applied to treat waters containingalimentary loses, fat, dye and suspended particles,among other elements. From this perspective,electrocoagulation is an electrochemical processwhich can be successful in i ts applicat ion,optimizing its factors and solving the challenge of

protecting, keeping and recovering water as aresource.

Key words: Water treatment. Electrocoagulation.Electrolysis. Electrodes. Coagulation. Electroflo-tation.

Introduccin

La necesidad actual de proveer agua para unacreciente poblacin mundial, que satisfaga lasdemandas de agua potable, de aguas de riego yagua para la industria crea el reto de investigar y

adaptar tecnologas que permitan la proteccin,conservacin y recuperacin del recurso hdrico.

Una de las grandes problemticas -que al mismotiempo se convierte en una preocupacin de laindustria- es la eficiencia en el uso del agua, si-tuacin esta que ha llevado a la industria a


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implementar programas de uso eficiente del agua,los cuales plantean estrategias para un manejosostenible del preciado lquido.

El reuso y recirculacin son operaciones que ha-cen parte de las estrategias de manejo del agua.Sin embargo, es indispensable realizar tratamien-tos a las aguas residuales. stos deben satisfaceraspectos tales como ser adecuados para el prop-sito, tener una alta efectividad y unos bajos costos,y adicionalmente traer ventajas ambientales.

En este artculo se plantea la electrocoagulacincomo una alternativa tecnolgica para el trata-miento de aguas residuales, haciendo nfasisen su aplicacin para la remocin de grasas yaceites que se encuentran formando una emul-

sin con el agua.

Electrocoagulacin

La electrocoagulacin es un proceso que utilizala electricidad para eliminar contaminantes en elagua que se encuentran suspendidos, disueltoso emulsificados. La tcnica consiste en inducircorriente elctrica en el agua residual a travs deplacas metlicas paralelas de diversos materia-les, dentro de los ms comnmente utilizadosestn el hierro y el aluminio. La corriente elctri-

ca proporciona la fuerza electromotriz que provo-ca las reacciones qumicas que desestabilizanlas formas en las que los contaminantes se en-cuentran presentes, bien sea suspendidas oemulsificadas. Es as que los contaminantes pre-sentes en el medio acuoso forman agregados,produciendo partculas slidas que son menoscoloidales y menos emulsificadas (o solubles)que en estado de equilibrio. Cuando esto ocurre,los contaminantes forman componenteshidrofbicos que se precipitan y/o flotan y se pue-den remover fcilmente por algn mtodo de se-paracin de tipo secundario.1-3

En el proceso de electrocoagulacin hay genera-cin de coagulantes in situpor la disolucin deiones de aluminio o de hierro de los electrodos dealuminio o hierro respectivamente. La generacinde iones metlicos tienen lugar en el nodo y enel ctodo hay liberacin de burbujas de hidrgenogaseoso las cuales ayudan a la flotacin de laspartculas floculadas, las mismas que sern reti-radas posteriormente4.

La electrocoagulacin es utilizada en la remo-cin de contaminantes de muy diversas aguasresiduales, tales como las de la industria de gal-vanoplastia, electro-plateado metlico, fbricas

de envasados, industria del papel (desperdiciosde molinos de papel), peleteras, molinos deacero, efluentes con contenido de cromo, plomoo mercurio y efluentes con contenido de aceitescomo los generados por talleres de maquinaria,refineras, talleres de reparacin de autos, trans-porte, almacenamiento y distribucin de acei-tes, efluentes de la industria alimentaria,lavanderas e industria textil, y finalmente ha sidoutilizada en la remocin de los contaminantesde las aguas para consumo humano yresiduales domsticas3-12.

Evolucin de la electrocoagulacin

La electrocoagulacin ha sido una tecnologaemergente desde 1906 con la primera patenteconcedida en Estados Unidos.13Con el tiempose presentaron problemas de tipo financiero ode regulacin de incentivos para que la industriaadoptara esta tcnica2 , pero son conocidos de-sarrollos anteriores. Desde el siglo XIX, en 1888,se efecto el primer ensayo reportado en Lon-dres por Webster, este proceso utilizaba nodosde hierro soluble, proceso que fue investigado

luego en otras localidades de Inglaterra. La ca-da de potencial entre los electrodos distantesuna pulgada entre s fue de 1.8 vatios y la co-rriente andica de 0.6 Amp/pie2. Cinco aos mstarde, Wolff electroliz una solucin concentra-da de sal para producir cloro y soda custicaque utilizaba para esterilizar aguas negras enBrewster, NY.

En 1896 se us en Lousville, Kentucky, una modi-ficacin del proceso de Webster para coagularagua cenagosa del ro Ohio, proceso en el que seutiliz nodos de hierro y aluminio, los cuales fue-

ron efectivos en coagular el agua, pero sin unareduccin importante en el oxgeno consumido.Webster en 1908 el proceso se utiliz en SantaMnica con reducciones de 40% de materia org-nica. Bull en 1911 electroliz una salmuera connodo de grafito interponiendo una membrana deasbesto entre los electrodos. Una modificacin delproceso Webster -llamado Landreth- se utiliz en1914 en Nueva York, en ste se aade cal paramejorar la conductividad del electrolito.


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En 1930 este proceso dej de tener inters para laindustria aunque como hecho aislado fue utilizadoen 1932, en Alemania, con eficiencia del 50% enreduccin de la DBO de aguas residuales. La falla de

estos procesos se debi al alto costo de energa y ala necesidad de recambiar los electrodos. En 1947,en URSS, se utiliz el proceso con electrodos dehierro, obteniendo remociones de 70-80% de DBO.

Unos aos ms tarde, en 1958, el profesor Mendade la Universidad de Npoles utiliz esta tcnicapara desinfectar las aguas negras de ciudadescosteras. En este proceso se mezcl 25-30% envolumen de agua de mar antes de la electrlisis.

En Noruega se combinaba 20% de agua de marcon las aguas residuales en la electrlisis para laremocin de fosfato utilizando electrodos de car-bn. Aunque la eficiencia del proceso fue buenahubo problemas de corrosin.

Se han reportado trabajos en URSS en donde seutiliz el proceso para remover partculas disper-sas de aceite, grasa y petrleo5. En 1971, enVancouver del Norte, se utilizaron nodos de alu-minio para disolverlos y coagular aguas negras.Este proceso oper a un costo ligeramente infe-rior al requerido con alumbre.

Aspectos tcnicos

El reactor para la electrocoagulacin

El reactor utilizado para realizar la electrocoagula-cin en una operacin por batch, en su forma mssimple, est formado por una celda electroqumicacon un nodo y un ctodo dispuestos en formavertical2y conectados a una fuente de energa ex-terna. El material andico se corroe elctricamentedebido a la oxidacin, mientras que el ctodo per-manece pasivo3.

El diseo formado por un par de electrodos no esel ms adecuado a la hora del proceso ya quepara obtener una rata adecuada de disolucin delmetal se requiere de electrodos de gran rea su-

perficial, es por esta razn que se utilizan celdascon electrodos monopolares en paralelo o conec-tados en serie3.

El sistema para la electrocoagulacin requiere deuna fuente de corriente directa, un regulador dedensidad de corriente y de un multmetro para leerlos valores de corriente3. En la Figura 1 se mues-tran dos reactores para electrocoagulacin conelectrodos en paralelo3.

Figura 1. Reactores para electrocoagulacin tipo bach: (a) Reactor con electrodosmonopolares conectados en paralelo, (b) Reactor con electrodos monopolares conectados

en serie

+ __ FUENTE

CTODO

CELDA

NODO

+ __

CTODO

MONOPOLAR

CELDA

NODOMONOPOLAR

AGUA

RESIDUAL

FUENTE

AGUA

RESIDUAL

a b

Existen otros tipos de reactores para laelectrocoagulacin, uno de los ms populareses el tipo filtro prensa, est formado por unaunidad de cobertura en forma de caja con un

nodo, un ctodo y una membrana como semuestra en la Figura 2. Este sistema hace quesu operacin y mantenimiento sea relativamentesimple4.


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Figura 2. Reactor tipo filtra prensa

NODO PLACAPARA

TURBULENCIA

MARCO PARA

EL NODOMEMBRANA MARCO PARA

EL CTODO

CTODO

Para la remocin de metales se usa el reactor deelectrodo cilndrico rotativo en el cual el ctodogira en el centro de la celda y el nodo se encuen-tra fijo como se muestra en la Figura 4. Esta dis-posicin permite aumentar la transferencia demasa en los electrodos y remover partculas demetal del ctodo. Finalmente, tambin es usadopara la remocin de metales, un reactor de lechofluidizado mostrado en la Figura 5. Este permiteaumentar el rea especfica superficial mejorandola eficiencia del proceso4.

Figura 4. Reactor de electrodo cilndricorotativo

Figura 5. Reactor de lecho fluidizado

Los materiales usados en el nodo deben serdimensionalmente estables, tales como el aceroque se utiliza en los reactores para la recupera-cin de metales, los electrodos ms modernosson fabricados de titanio con una pequea capade xidos de metales nobles. Sin embargo, elmaterial ms comnmente utilizado es el alumi-nio. El ctodo puede ser de metal, grafito, fibrasde carbn, acero o titanio.

Proceso de electrocoagulacin

Durante la electrlisis ocurren una serie de proce-sos fsicos y qumicos que se pueden describir dela siguiente manera:

El lado positivo sufre reacciones andicas, mien-tras que el negativo sufre reacciones catdicas.

+

-

NODO

MEMBRANA

CUCHILLA

RASPADORA

ESCAMAS DE

METAL

+

+ - CTODONODO

PARTCULAS

DE METAL


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Las placas de metal, tales como hierro o aluminioson utilizadas como electrodo de sacrificio o pla-ca consumible que aporta iones al sistema. Es-tos iones liberados neutralizan las cargas de las

partculas desestabilizando los sistemas de sus-pensin de los contaminantes dando inicio a lacoagulacin.

Los iones liberados remueven cualquier contami-nante, bien sea por reaccin qumica y precipita-cin o agregando materiales coloidales que bienpueden flotar o precipitarse. Adems, como el aguacontiene partculas coloidales, aceites u otroscontaminantes, stos se mueven a travs del cam-po elctrico aplicado y pueden ionizarse, sufrirreacciones de electrlisis o de hidrlisis o formarradicales libres que alteran las propiedades fsi-

cas y qumicas del agua y de los contaminantes,resultando en un estado reactivo y excitado lo cuales causa de la liberacin, destruccin oinsolubilidad de los contaminantes3.

Para aumentar la eficiencia de remocin de losiones indeseables, se puede hacer pasar el aguaresidual a travs de una serie de celdas que tie-nen electrodos compuestos de varios metales. Losparmetros como pH, conductividad y potencialde xido-reduccin deben ser ajustados de acuerdocon el tipo de contaminante3,13.

Factores que afectan la electrocoagulacin4

Densidad de corriente: Elsuministro de corrienteal sistema de electrocoagulacin determina la can-tidad de iones de aluminio Al +3o hierro Fe +2libe-rados por los respectivos electrodos.Cuando seusa una corriente demasiado grande, hay unatransformacin de energa elctrica en energacalrica que calienta el agua. Una densidad decorriente demasiado grande producira una dismi-nucin significativa en la eficacia. La seleccin dela densidad de corriente podra realizarse tenien-

do en cuenta otros parmetros de operacin comopH y temperatura.

Presencia de NaCl: La sal aumenta laconductividad del agua residual. Se ha encontra-do que los iones de cloruro pueden reducir losefectos adversos de iones como HCO

3-y SO4=

pues la presencia de iones carbonatos o sulfatospueden conducir a la precipitacin de Ca+2y Mg+2

produciendo una capa insoluble depositada sobre

los electrodos, que aumentara el potencial entrelos electrodos decreciendo as la eficiencia de lacorriente. Se recomienda, sin embargo, que paraun proceso de electrocoagulacin normal se man-

tengan cantidades de Cl-del 20%4.

pH: El efecto delpH en la electrocoagulacin serefleja en la eficiencia de la corriente y se relacio-na con la disolucin del hidrxido del metal, seha encontrado que el rendimiento del proceso de-pende de la naturaleza del contaminante y la mejorremocin se ha observado para valores de pH cer-canos a 7. No obstante a pH neutral el consumode energa es alto, debido a que hay variacin dela conductividad. Cuando la conductividad es alta,el efecto del pH no es significativo. El pH despusde la electrocoagulacin podra incrementarse para

aguas residuales cidas pero decrecer para aguasalcalinas. El incremento de pH a condiciones ci-das ha sido atribuido a la reaccin del hidrgenoen el ctodo dada por H

2O +2e ?H

2+ 2OH- 4.

Temperatura:Los efectos de la temperatura so-bre la electrocoagulacin no han sido muy investi-gados, pero se ha encontrado que la eficiencia enla corriente incrementa inicialmente hasta llegar a60 C punto donde se hace mxima, para luegodecrecer. El incremento de la eficiencia con la tem-peratura es atribuida al incremento en la actividadde destruccin de la pelcula de xido de aluminio

de la superficie del electrodo.

Aplicacin de la electrlisis a unaemulsin aceite-agua

Emulsin aceite-agua 5

Una emulsin es una dispersin en la cual el aceiteconstituye la fase dispersa y el agua forma la fasecontinua.

Un ejemplo es la leche que constituye una emul-

sin que est formada por grasa dispersa en unafase acuosa. Esta emulsin es estabilizada porla presencia de agentes emulsificantes talescomo surfactantes. Para la leche el emulsificantenatural es la casena, esta es una protena quecontiene grupos fosfatos. Los grupos aninicosen la molcula de surfactante previene la agre-gacin y coagulacin de las gotas de aceite varepulsin electrosttica14, como se esquematizaen la Figura 6.


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Figura 6. Emulsin de aceite agua estabilizada por un surfactante.

Fase acuosa

Surfactante Aceite

Aceite

Durante la electrlisis y en el caso de utilizar unnodo de sacrificio de hierro (Fe) ste es oxidadoa Fe+2 el cual es nuevamente oxidado a ionesFe+3 .

La reaccin es:

eFeeFeFeac

O

ac 12 320 2 (1)

Con la electrlisis la fuerza inica del medioincrementa y la electrogeneracin de cationes consu alta carga de +3 neutraliza eficientemente lasuperficie cargada de las molculas de surfactante.Simultneamente, el hidrgeno es liberado en elctodo, segn la reaccin:

acg

OHHeOH 22222 (2)

El pH 3del medio aumenta como consecuenciade la electrlisis. El resultado de la reaccin,ecuaciones 1 y 2, es que la emulsin esdesestabilizada y las partculas de aceite coloidalcomienzan a agregarse, como es esquematizadoen la Figura 7.

Figura 7. Formacin de agregados de aceite.

Formacin de un lodo rico en aceite

La reaccin entre el Fe +3 formadoelectroqumicamente y los OH formados en

el ctodo produce hidrxido frrico5, segn lareaccin:

solacac OHFeOHFe

3

3 )(3 (3)

Las gotas de aceite desestabilizadas flotan en elhidrxido frrico formado, llegando a la superficiedonde es removido con facilidad por una opera-cin de desnatado.

Un sistema patentado para la electrocoagulacinque utiliza un electrodo de hierro como electrodode sacrificio opera a 20 voltios con un rango decorriente de 15 - 35 amperios. El agua residualrequiere suficiente conductividad para la operacinde la celda y para prevenir neutralidad del materialdel electrodo14.

Electroflotacin 14,15

La electroflotacin es un proceso que utiliza airepara inducir la formacin de pequeas burbujasmediante la electrlisis del agua generando hidr-geno y oxgeno gaseosos. Este proceso puedeser alternado con la electrocoagulacin para laremocin efectiva de las partculas floculadas.

En trabajos realizados, combinando estos proce-sos, se ha logrado una reduccin de 14 mg/l de

un agua residual con un contenido inicial de acei-te de 280 mg/l.

Ventajas y desventajas de laelectrocoagulacin 1, 5,

Ventajas:

Los costos de operacin son menores que losde procesos convencionales usando polmeros.

Floc de aceiteFe

+3

Fe+3


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Requiere de equipos simples y fciles de ope-rar, con la suficiente libertad operacional paramanejar los problemas encontrados en su fun-cionamiento.

Puede generar aguas potables, incoloras einodoras.

Elimina requerimientos de almacenamiento yuso de productos qumicos.

Genera lodos ms compactos y en menor can-tidad, que involucra menor problemtica de dis-posicin de estos lodos.

Los flculos formados por la electrocoagulacinson similares a los producidos qumicamente,pero ms grandes, contienen menos agua liga-da, son anticidos y ms estables y pueden ser

separados rpidamente por filtracin. Ausencia de magnesio en los lodos por la no

utilizacin de ste en el proceso.

Alta efectividad en la remocin de un amplio ran-go de contaminantes.

Purifica el agua y permite su reciclaje.

Reduce la contaminacin en los cuerpos deagua.

Produce efluentes con menor cantidad de SDTcomparado con los tratamientos qumicos, siesta agua se reusa, los bajos niveles de SDT

contribuye a bajos costos de tratamiento deaguas.

Remueve las partculas coloidales ms peque-as, ya que el campo elctrico aplicado las poneen movimiento ms rpidamente facilitando lacoagulacin.

Las burbujas de gas producidas, pueden llevarel contaminante a la superficie de la solucin,donde puede concentrarse fcilmente, ser recu-perado y removido.

Desventajas:

Reposicin de los electrodos de sacrificio.

Los lodos contienen altas concentraciones dehierro y aluminio, dependiendo del material delelectrodo utilizado.

No es efectivo en la remocin de DBO soluble,proveniente de solventes y anticongelantes.

El uso de electricidad puede ser costoso enmuchos lugares.

Una pelcula de xido impermeable puede for-marse en el ctodo que lleva a la prdida deeficiencia del proceso.

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