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TECNOLOGÍA QUÍMICA Vol. XXX, No. 2, 2010 5

ESTUDIO DEL PROCESO DE ELECTROCOAGULACIÓNDE LA VINAZA EMPLEANDO ELECTRODOS DE

ALUMINIOElaine Ojeda Armaignac, Romelia Hing Cortón

Facultad de Ingeniería Química, Universidad Oriente

El presente trabajo, forma parte de una de las investigaciones que se realizan en la facultad deIngeniería Química de la Universidad de Oriente, en búsqueda de soluciones que permitan obtenerlas condiciones operacionales más factibles, técnica y económica que influyan en el proceso deelectrocoagulación de la vinaza, con el objetivo de determinar estas condiciones con electrodosde aluminio.La vinaza utilizada en este trabajo se obtiene como residual del proceso de obtención de alcoholetílico a partir de las mieles finales de la caña de azúcar. Se realizaron ensayos experimentales paradeterminar la densidad de corriente, el tiempo de electrólisis y el pH de la solución.En el estudio del proceso de electrocoagulación se realizó la determinación del color comoparámetro de calidad de la vinaza, y para el seguimiento de la efectividad de este proceso, en cuantoa su descontaminación y obtención de sólidos, una vez determinadas estas condiciones, se hizo unanálisis económico preliminar para determinar el costo operacional expresado en pesos portoneladas de sólidos removidos.Palabras clave: electrocoagulación, electrodos de aluminio, vinaza

This work is part of one of the research being conducted at the Chemical Engineering Faculty,Universidad de Oriente, looking for solutions to achieve operational conditions technically andeconomically more feasible to influence the process of electrocoagulation of the vinasse todetermine these conditions using aluminum electrodes.The vinasse used in this work is obtained as a residual of the process of obtaining alcohol from theend of the process of honey production from sugar cane.Experimental tests were conducted to determine the operational parameters on electrocoagulationprocess (current density, electrolysis time and pH of the electrolyte solution). The study of theelectrocoagulation process is the determination of color as a parameter of quality of vinasse andfor monitoring the effectiveness of this process in terms of decontamination and collection of solids.Once these conditions, a preliminary economic analysis which determined the operational costexpressed in $ per tons of solid removed was made.Key words: electrocoagulation, aluminium electrodes, vinasse

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Introducción

Con metales se opera en todas las ramasproductivas de la sociedad, por lo que hay quetener en cuenta el fenómeno de corrosión porsu efecto perjudicial, tanto económico comomedioambiental y social, buscando vías paradetener o disminuir la misma. Uno de los méto-dos fundamentales para la prevención de lacorrosión es la utilización de inhibidores, yéstos son productos químicos que reaccionancon la superficie metálica, dando a la mismacierto nivel de protección. Algunos tipos deresiduales industriales, contienen elementos quedebido a sus propiedades inhibidoras pueden

ser usados para combatir este problema queafecta a nivel mundial.

Durante muchos años, la práctica tradicionalha sido exigir a la industria la utilización de tecno-logías para el control de la contaminación al finalde los procesos o actividades, a fin de garantizarel cumplimiento de los límites máximos admisiblesde contaminantes en las emisiones y descargas,reduciendo con ello los riesgos para la salud y elambiente asociados a este fenómeno, sin embar-go, el problema persiste, siendo la utilización deresiduales industriales una alternativa atractiva,que permite, al mismo tiempo, el tratamientoadecuado y aprovechamiento de los mismos, dis-

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minuyendo la contaminación del medio ambiente.De esta forma, se pueden obtener productosvaliosos y un desecho con valor negativo pasa aser una materia prima cuyo empleo resulta econó-micamente ventajoso.

La contaminación es uno de los problemasambientales más relevantes que afectan a nuestromundo y surge cuando se produce un desequilibrionatural que cause efectos adversos en el hombre,en los animales y vegetales. Un ejemplo lo cons-tituye la industria alcoholera cubana, que al vertersus efluentes (vinaza), trae como consecuenciaun alto poder contaminante en ríos y mares provo-cando afectaciones al medio ambiente.

Las vinazas de las destilerías de alcohol etílico,son los residuales de mayor agresividad y cargaorgánica que genera la industria azucarera en suconjunto (MINAZ. 1995), los que se producen enuna proporción de 12 a 15 L por cada litro de alcoholproducido y una agresividad de 60 000 a 150 000 mgDQO/L, casi mil veces mayor que la permitida porla normatividad. La solución de esta problemáticadebe apoyarse fundamentalmente en medidas parala reducción del volumen y agresividad de los mostosy alternativas de aprovechamiento.

La electrocoagulación, es un tratamientoelectroquímico muy utilizado en el tratamiento deresiduales, por medio del cual se desestabilizancontaminantes suspendidos, emulsificados o di-sueltos en un medio acuoso, haciendo pasar unacorriente eléctrica a través del mismo. La opera-ción se lleva a cabo usando una variedad de ánodoy cátodo geométrico, electrodos consumibles,generalmente de hierro o aluminio, por los cualesfluye la corriente necesaria para que los mismoscomiencen a reaccionar con el medio,análogamente a un proceso de corrosión.

Los principales factores que influyen en laeficiencia del proceso de electrocoagulación son:el pH, la temperatura de la solución, el tiempo deresidencia, el material de los electrodos y laintensidad de la corriente.

En trabajos anteriores, se ha realizado unestudio para el posible uso de la vinaza de desti-lería en la obtención de sólidos inhibidores de lacorrosión, aprovechando la rica composición que

la misma posee, pero todavía no tiene ningunaaplicación específica, por el contrario, contribuyea la contaminación del ecosistema.

En la actualidad, se llevan a cabo investigacionespara determinar las condiciones factibles técnica yeconómicamente que influyen en el proceso deelectrocoagulación de la vinaza, con el objetivo deobtener sólidos inhibidores de la corrosión, resol-viéndose dos problemas de gran importancia para lasociedad, la contaminación del medio ambiente y lacorrosión de los materiales metálicos en contactocon medios agresivos. En esta investigación sepersiguen los siguientes objetivos:

1. Determinar la densidad de corriente que per-mita un mayor por ciento de remoción de coloren el proceso de electrocoagulación de lavinaza y un menor consumo de energía en elmismo.

2. Determinar el tiempo de electrólisis y el pHque permitan obtener una mayor eficiencia enel proceso de electrocoagulación de la vinaza.

3. Realizar un análisis económico preliminar delproceso de electrocoagulación de la vinaza.

Materiales y métodos

El líquido a tratar en esta investigación es lavinaza residual, producto de la destilación alcohó-lica a partir de mieles finales de la caña de azúcar,que se lleva a cabo en el complejo azucareroArgeo Martínez perteneciente al MINAZ de laprovincia Guantánamo.

Para la obtención del sólido a partir de lavinaza se utilizó un electrocoagulador a escala delaboratorio el cual está compuesto por 2 electro-dos planos de aluminio, dispuestos verticalmente,cuyas dimensiones totales son de 68 mm de largo,40 mm de ancho, y 1 mm de espesor, espaciadosa 15 mm. Para energizar el sistema se utilizó unafuente de corriente directa, en la que se podíaregular la corriente y el voltaje aplicado; mediantela conexión de un amperímetro y un voltímetro, enserie y paralelo respectivamente. Los electrodosfueron conectados en paralelo. La instalacióneléctrica se muestra en la figura 1.


Fig. 1 Instalación eléctrica.

El orden en que fueron realizados los ensayosse muestra en el siguiente esquema experimental.

Desarrollo de la técnica experimental

La valoración espectrofotométrica del colorde las muestras se llevó a cabo mediante ladeterminación de la luminancia (%) según re-fiere el Standard Methods (APHA, 1998).

Este método consiste en la medición del porciento de transmitancia de la muestra para un con-junto de longitudes de onda específicas de 400-700nm, utilizando agua destilada como blanco. La sumade los por cientos de transmitancia multiplicada porun factor (0,1) nos da el valor de luminancia (%), quees una medida de cuan clara es percibida la muestrapor el ojo humano.

Las muestras con vinaza fueron electrocoaguladasy centrifugadas previamente, para la eliminación delos sólidos en suspensión y luego se diluyeron (1/10)

de modo que su transmitancia para las 10 longitudesde onda para las cuales se mide, no sea menor al 10%. Las longitudes de onda (nm) determinadas fue-ron: 489, 515, 529, 541, 551, 561, 572, 584,600, 627.

La remoción de color se calculó mediante laecuación:

A = 2- Log 66,87 (1)

(2)100*%i

fi

AAA

R−

=


donde:L: Luminancia.Ai: Absorbancia de la vinaza antes de la

electrocoagulación, obtenida de los valores deluminancia.

Af: Absorbancia de la vinaza después de laelectrocoagulación, obtenida de los valores deluminancia.

%R: Por ciento de remoción de color

Análisis económico preliminar del procesode electrocoagulación de la vinaza conelectrodos de aluminio

El cálculo económico se hizo teniendo en cuen-ta fundamentalmente el consumo de la energíaeléctrica (Cenergía), la eficiencia de la energíaeléctrica (ϕ), el consumo de energía eléctricaespecífica (See) y el costo de operación (Co).

El consumo de energía eléctrica y la eficiencia dela corriente son algunos de los parámetros de sumaimportancia en el proceso de electrocoagulación.

El consumo de la energía eléctrica fue calcu-lado usando la ecuación:

I: Intensidad de corriente (A).tEC: Tiempo de electrocoagulación (seg).

El costo de operación incluye el costo delmaterial (principalmente electrodos), costo utili-tario (principalmente energía eléctrica), costo demantenimiento y otros costos fijos. En este estu-dio económico preliminar, el costo de la energía yel costo del electrodo se consideran como losrenglones principales por lo que, el mantenimientoy el costo fijo no son tomados en cuenta para lacomparación en el cálculo del costo de operación.

Resultados y discusiones

Efecto de la densidad de corriente en laeficiencia de la remoción de color y la obtenciónde sólidos

En todo proceso electrolítico, la densidad decorriente es el parámetro más importante paracontrolar la velocidad de la reacción dentro delreactor. Es conocido que la densidad de corrientedetermina el régimen de producción de coagulante,de los hidróxidos que se forman, regulan la velocidady volumen de burbujas que se producen, y enconsecuencia afecta el crecimiento de los flóculos.

Para investigar el efecto de la densidad decorriente en la eficiencia de la remoción de colory en la obtención de los sólidos, el proceso deelectrocoagulación se llevó a cabo empleandovarias densidades de corriente.

La figura 2, muestra el por ciento de remociónde color y la cantidad de sólidos obtenidos porelectroflotación (formados en la espuma), en con-traste con diferentes densidades de corrienteaplicada a los electrodos en el proceso deelectrocoagulación de la vinaza.

Un aumento de la densidad de corriente conduceal incremento de la reducción de color y de laobtención de sólidos. A una densidad de corriente de0,15912 A/cm2 (9A), aproximadamente el 87,41 %de color fue reducido y se obtuvo 11,09 g de sólidosen la espuma. Un incremento por encima de estadensidad de corriente provoca un aumento despre-ciable de la remoción de color, sin embargo, lacantidad de sólidos obtenidos en la espuma sigueaumentando según la Ley de Faraday.

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(5)

donde:n: Número de electrones.F: Constante de Faraday (96487 c*mol-1).V: Voltaje (Volt).ϕ : Eficiencia de la corriente (%).M: Peso molecular del aluminio (g*mol-1).DMexperimental: Perdida de peso experimental de los electrodos (g) durante el proceso de electrocoagulación (g).∆Mtetrico: Cantidad teórica de hierro que se disuel-

ve de acuerdo a la Ley de Faraday (g).


Fig. 2 Variación del por ciento de remoción de color y la cantidad de sólidos obtenidos en laespuma en función de la densidad de corriente (I = 9A, pH =4.43, tEC = 5 min).

El comportamiento de la eficiencia de laremoción de color, puede deberse a que adensidades de corriente mayores de 0,15912A/cm2, durante el proceso de tratamiento seproduce la transformación de compuestos y nonecesariamente la desaparición de la materiaorgánica por la degradación, permaneciendodeterminadas sustancias cromóforas.

En cuanto a los sólidos en la espuma, estosresultados están muy vinculados a la densidad decorriente, pues al incrementar los valores de ésta,los procesos en los electrodos aumentan propor-cionalmente a la misma, acelerándose el procesode desprendimiento de gases, lo cual favorece elascenso de los sólidos en la espuma y dificulta elproceso de formación de los flóculos.

En los procesos que ocurren en los electrodos,los iones hidronio migran hacia el cátodo, ocu-rriendo la reacción de reducción del mismo y sedesprende hidrógeno, lo cual provoca un intensoburbujeo a medida que aumenta la intensidad decorriente. Los iones hidroxilo presentes en lasolución, migran al ánodo experimentando unareacción de oxidación y desprendiendo oxígeno,esto incrementa el burbujeo y la mayor formaciónde espuma en el sistema. Esto se evidencia en lafigura 3, donde se observa que los sólidos obteni-

dos en el líquido por floculación se mantienen casiconstantes e independientes de la densidad decorriente.

Para que una sustancia se concentre en lasuperficie de una solución, debe estar formadapor moléculas que tengan una estructura fuer-temente asimétrica, que contenga tanto grupospolares como no polares, llamados hidrofílicose hidrofóbicos respectivamente, atendiendo asu atracción o repulsión por el agua. A causade tal estructura asimétrica, las moléculas enla capa superficial, se orientan de forma tal,que los grupos hidrofóbicos se orientan hacia elaire y en general a la fase menos polar.

De este modo, la condición de flotabilidades una fuerte adhesión entre las partículashidrofóbicas y las burbujas, las que tienen queser capaces de soportar la agitación y la turbu-lencia en la celda, al contrario de las partículasque constituyen el sólido que forma los flóculosque son hidrofílicos. Esto justifica el resultadode los sólidos obtenidos en la espuma, loscuales se incrementan casi de forma linealmientras que en el líquido se mantienen inde-pendientes de la densidad de corriente porquela producción de burbujas dificulta el desarro-llo de los flóculos.


Fig. 3 Variación del por ciento de remoción de color y la cantidad de sólidos obtenidos en ellíquido en función de la densidad de corriente (I = 9A, pH =4.43, tEC = 5 min).

En la figura 4, se representa la cantidad desólidos totales y el por ciento de remoción enfunción de la densidad de corriente, evidencián-dose una vez más que la cantidad de sólidosaumenta proporcionalmente a la densidad de co-rriente, debido fundamentalmente, al aporte quehacen los sólidos obtenidos en la espuma.

En este proceso de electrocoagulación los ionesaluminio (Al3+), que provienen de la disoluciónelectrolítica del ánodo, se hidrolizan espontánea-mente, generando varias especies monoméricas deacuerdo al siguiente mecanismo:

También, producto de la hidrólisis, se forman espe-cies diméricas, triméricas y poliméricas de aluminiotales como: Al2(OH)2

4+, Al3(OH)45+, Al6(OH)15

3+,Al7(OH)17

4+, Al8(OH)204+, Al13O4(OH)24

7+,Al13(OH)34

5+. Según (M Kobya et al. 2006).

Los cationes hidrolizados de aluminio pueden reac-cionar con los iones OH-, hasta obtener finalmente elcompuesto amorfo de hidróxido de aluminio.

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(8)

Fig. 4 Variación del por ciento de remoción de color y la cantidad de sólidos totales obtenidos enfunción de la densidad de corriente (I = 9A, pH =4.43, tEC = 5 min).


El modo de actuar de las especies de aluminiogeneradas en el proceso de electrocoagulación,se puede explicar en función de dos mecanismos:

1. Neutralización de las cargas de partículascoloidales negativas por los cationes, productode la hidrólisis.

2. Incorporación de impurezas en el precipitadode hidróxido amorfo, Al (OH)3 (en el curso dela floculación).

La importancia de este mecanismo está estre-chamente vinculada con el pH y la cantidad dehidróxido formado. Los compuestos amorfos for-mados de Al (OH)3 (s), tienen un área superficialgrande, la cual es beneficiosa para una rápida

adsorción de los compuestos orgánicos solubles,atrapando las partículas coloidales. Finalmente,estos flóculos son separados del medio acuosopor sedimentación, centrifugación y/o flotación.

En la figura 5, se corrobora el comportamientoanalizado anteriormente, mostrándose la varia-ción de los sólidos obtenidos en la espuma, en ellíquido y los sólidos totales en función de ladensidad de corriente, corroborándose que lossólidos en la espuma, aumentan proporcionalmen-te a la densidad de corriente, mientras que los dellíquido se mantienen prácticamente constantes,esto también se refleja en los sólidos totales por laalta contribución que representan los sólidos ob-tenidos en la espuma.

Fig. 5 Variación de los sólidos obtenidos en el líquido, en la espuma y Totales en función de ladensidad de corriente (I = 9A, pH =4.43, tEC = 5 min).

Para alcanzar el valor más factible de den-sidad de corriente, se hace necesario evaluarla eficiencia de la remoción de color y elconsumo de energía. En la figura 6, se repre-senta el por ciento de remoción de color y loskW.h/g de sólido removido en función de la

densidad de corriente, estos resultados permi-ten corroborar que la densidad de corrientemás factible técnica y económicamente es 0,15912 A/cm2 para la cual se obtiene un 87,41 % deremoción de color y 44,50*10-5 kW.h/g de só-lidos removidos.


Fig. 6 Variación del por ciento de remoción de color y kW.h/g de sólido removido en función dela densidad de corriente (I = 9A, pH =4.43, tEC = 5 min).

Efecto del tiempo de electrólisis en laeficiencia de remoción de color

El tiempo de electrólisis también influye en laeficiencia del tratamiento del proceso deelectrocoagulación. Este tiempo, determina lavelocidad de producción de iones Al3+ de loselectrodos de aluminio.

En la figura 7, se muestra la relación entre laeficiencia de la remoción de color y el tiempo deelectrólisis, estos ensayos fueron realizados parauna densidad de corriente de 0,159 12 A/cm2 (9A)y un pH= 4,42. Los estudios se realizaron entre 1 y7 minutos, porque al transcurrir el tiempo de 7 mindisminuye el volumen de líquido a tratar, y esto traecomo consecuencia que el sistema cae en cortocircuito provocando una disminución de corriente.

Fig. 7 Variación del por ciento de remoción de color en función del tiempo. (I = 9A, pH =4.42).

En los resultados se observa que la remo-ción de color en la vinaza aumenta linealmentecon el tiempo. La eficiencia de la remoción decolor depende directamente de la concentra-ción de hidróxido y de los iones metálicosproducidos por los electrodos. Por tanto, unaumento del tiempo, promueve el crecimientode los flóculos y su posterior precipitación, y a

la vez incrementa la producción de gases, queal ascender, llevan las partículas sólidas a lasuperficie formando la espuma, estos resulta-dos se corresponden con los obtenidos porClavel, 2008.

En consecuencia, de acuerdo a los resultadosmostrados en la figura 3, el mejor tiempo deelectrólisis fue de 7 min.


Efecto del pH inicial en la eficiencia de remo-ción de color

El pH es un parámetro muy importante queinfluye en el desarrollo del proceso deelectrocoagulación, participando directamenteen el equilibrio de la hidrólisis que determina elorigen de las diversas especies en solución. Elefecto del pH en la remoción de color de la

vinaza fue analizada a una densidad de co-rriente de 0,159 12 A/cm2 (9A), y un tiempo de7 min. Para examinar este efecto, la vinaza fueajustada al pH deseado para cada experimentopor adición de una solución de hidróxido desodio o de ácido sulfúrico.

La variación del por ciento de remoción decolor como una función del pH se muestra en lafigura 8.

Fig. 8 Variación del por ciento de remoción de color en función del pH.

Los resultados revelan que cuando el pH de lavinaza se encuentra a 4.49 (pH original) se alcanzala máxima remoción de color. El ajuste de la vinazaa pH superiores al original incrementa el color de lamisma, provocando un descenso significativo de laluminancia. Esto podría estar causado porque a pHmayores se favorece la polimerización de los pro-ductos que han quedado de las reacciones decaramelización (reacciones que ocurren en las mie-les que dan origen a la vinaza), reduciendo el paso dela luz y por tanto, la reducción de los por cientos deluminancia y de remoción de color. Se conoce que apH alcalino se favorece la formación de lasmelanoidinas. Por tanto no es necesaria la adición desustancias químicas para cambiar el valor de pHoriginal de la vinaza para ser tratado con electrodosde aluminio.

Consumo de energía y costo de operación

El consumo de energía eléctrica y la eficiencia dela corriente son parámetros económicos muy impor-tantes en el proceso de electrocoagulación; similar aotro proceso electrolítico. El consumo de energíaeléctrica fue calculado usando la ecuación 3. En la

figura 6, se observa que un incremento de ladensidad de corriente causa un aumento de laeficiencia de remoción de color, incrementándosetambién el consumo de energía.

Sin embargo, para la densidad de corriente de0.15912 A/cm2 (9A) se alcanza el valor másfactible técnica y económicamente del por cientode remoción de color y a su vez una disminucióndel consumo de energía. Valores superiores a ladensidad de corriente de 0,159 12 A/cm2 (I=9A)no se producen cambios apreciables en la eficien-cia de remoción de color sin embargo el consumode energía se incrementa de forma apreciable.

La eficiencia de la corriente (ϕ) del proceso deelectrocoagulación fue calculada por la ecuación2.4. El cálculo está basado en la comparación dela pérdida de peso experimental de los electrodosde aluminio (∆Mexperimental) durante el proceso deelectrocoagulación con la cantidad teórica dealuminio disuelto (∆Mteórico) de acuerdo a la Leyde Faraday, ecuación 5.

Como Al(OH)3 (s) puede ser la especie for-mada, el número de electrones en la reacción dedisolución es igual a 3.


El costo de operación incluye el costo delmaterial (principalmente electrodos), costo utili-tario (principalmente energía eléctrica), costo demantenimiento y otros costos fijos. En este estu-dio económico preliminar, el costo de la energía yel costo del electrodo se consideran como losrenglones fundamentales, el mantenimiento y elcosto fijo no son significativos para la compara-ción en el cálculo del costo de operación, expre-sándose este costo como kW.h por gramo desólidos removidos.

Cenergía y Celectrodo: son las cantidades deconsumo de energía y de electrodo respectiva-mente por gramo de sólido removido, los cuales seobtienen experimentalmente.

Especificado en el mercado internacional en el2009, el precio unitario de c y b son los siguientes:a: precio de energía eléctrica, $/kW.hb: precio del material del electrodo, $/kg

Estos cálculos fueron realizados para losparámetros operacionales factibles técnicamenteen el proceso de electrocoagulación. (i= 0,159 12A/cm2, t= 7min, pH=4,57). Los valores de loscálculos se muestran en la tabla 1. Costo de operación=Co=a*Cenergía+b*Celectrodo

Tabla 1Parámetros característicos calculados para el proceso

de electrocoagulación en las condiciones arriba mencionadas

Conclusiones

1. El mejor valor factible técnica y económicamen-te de la densidad de la corriente para el procesode electrocoagulación de la vinaza es de:

i= 0.15912 A/cm2 (I= 9A), para el cual se alcanzaun por ciento de remoción de color de 87,41 % yun consumo de energía de 44,50*10-5 kW.h/g desólidos removidos.

2. Se comprobó que a medida que aumenta ladensidad de corriente se obtiene mayor cantidadde sólidos en la espuma mientras que en el dellíquido permanece prácticamente constante.

3. El tiempo de electrólisis que permite obtener unamayor eficiencia en el proceso deelectrocoagulación de la vinaza para una densi-dad de corriente de 0,159 12 A/cm2 es de 7 min.

4. El pH de la solución electrolítica que permiteobtener un mayor por ciento de remoción decolor en el proceso de electrocoagulación de la

vinaza para una densidad de corriente de 0,15912 A/cm2 y un tiempo de 7 min es de 4.57.

5. El costo del proceso de electrocoagulación dela vinaza es de 87,76 $/Ton de sólido removidopara los valores factibles técnica y económi-camente siendo los valores de pH de 4,57 ytiempo de electrólisis de 7 min.

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