ELECTROLISIS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS

INTRODUCCION

La tecnología electroquímica se considera normalmente como una técnica benigna o amiga del Medio Ambiente. Es muy adecuada para el tratamiento de las aguas residuales de diversa procedencia, recuperación de suelos contaminados, desalación de disoluciones, regeneración de oxidantes, reductores, bases y ácidos, etc. y para la síntesis de diferentes compuestos orgánicos e inorgánicos por su gran especificidad y economía. Además, el empleo del electrón como reactivo no solo evita la utilización de reductores y oxidantes cuyos productos de oxidación o reducción suelen ser contaminantes, sino que también disminuye el número de etapas en la síntesis de diferentes compuestos disminuyendo de esta forma la contaminación originada por el proceso químico. Centrándonos es su aspecto medioambiental, las posibilidades de aplicación de la tecnología electroquímica son muy variadas y están esquematizadas en la figura 1, que reafirma el carácter “verde” de esta tecnología.

ELECTROCOAGULACION

ANTECEDENTES

La coagulación química ha sido utilizada por décadas para desestabilizar suspensiones coloidales. Combinada con la floculación química, logran la precipitación de especies metálicas, y otras especies inorgánicas eliminándolas así, mediante sedimentación y/o filtración, de las corrientes líquidas. Los coagulantes usados han sido sales de hierro, aluminio, cal, polímeros, y otros.

La coagulación-floculación química genera volúmenes apreciables de lodos ligados fuertemente al agua, lo que muchas veces retrasa la filtración, y dificulta el secado de los lodos. También aumenta la salinidad del agua, lo cual puede hacerla inaceptable para ser reutilizada.

La flotación por aire disuelto (D A F) es otro proceso de separación sólidoliquido muy utilizado en la clarificación de aguas industriales, por ejemplo en la Industria azucarera, en la minería, en la industria petrolera, y en muchos sistemas de tratamientos de aguas residuales. Es aplicada en separar suspensiones, y emulsiones de pesos moleculares cercanos al del agua, lo cual dificulta su separación por sedimentación o filtración.

El cloro es el desinfectante universal, también utilizado para blanqueo, desinfección, desodorización, fabricación de desinfectantes y otros usos. Por costos, facilidad de manipuleo y transporte, y sobre todo por que deja un residual que permite controlar la eficiencia de desinfección, es ampliamente utilizado en la producción de agua potable.

La electrocoagulación, electrofloculación, electroflotación, y producción, in-situ de cloro, son procesos electroquímicos que presentan ventajas de costos, eficiencias, tiempos de residencia, y protección al ambiente sobre los procesos químicos respectivos.

La electrofloculación y electrocoagulación son técnicas que involucran la adición electrolítica de iones metálicos coagulantes directamente del electrodo de sacrificio. Estos iones permiten que los contaminantes se aglomeren de la misma forma que si se adicionara un producto químico como el sulfato de aluminio, cloruro férrico, etc. y permitir con ellos su remoción.

La adición electrolítica de los iones metálicos tiene una gran ventaja con respecto a la adición de los químicos, por ejemplo: no aumenta el número de sales en el agua a tratar; produce la mitad o una tercera parte de lodos.

En la electrofloculación, se favorece la remoción de los contaminantes debido a que son arrastrados por las burbujas de gas que se generan en el sistema (H2 y O2), por lo que tienden a flotar en la superficie. Para tener mejores rendimientos es necesario instalar un sistema que garantice la remoción de la espuma que flota. (A semejanza del proceso DAF). Se consideran múltiples factores de trabajo como pueden ser: toxicidad, reactividad, estabilidad, concentración de contaminantes, etc. Las distintas variables involucradas inducen a tres procedimientos comunes pero a su vez distintas entre sí y son:

Electroflotación: Se aprovecha la formación del gas para arrastrar hacia la superficie los contaminantes previamente acondicionados.

Electrocoagulación-flotación: Este procedimiento implica la inyección de iones metálicos para aglutinar los contaminantes dispersos en un agua sacrificando directamente a uno de los electrodos (Ánodo) complementado con el barrido por arrastre del gas generado.

En el tratamiento electrolítico se ven involucradas las siguientes reacciones:

Oxidación anódica y reducción catódica de las impurezas presentes en el agua.

Solución de ánodos metálicos, descarga y coagulación de partículas coloidales. Electrofóresis, traspaso de iones a través de membranas semipermeables. Flotación de partículas sólidas por arrastre del gas formado Precipitación de iones metálicos en cátodos. Regeneración y concentración de ácidos y álcalis. Desalado del agua. Otros.

OBJETIVOS:

Diseñar, construir, montar y operar sistemas electroquímicos para tratamiento de aguas residuales.

De igual manera, construir plantas de producción de agua potable y/o aguas para uso industrial.

Diseñar y construir sistemas de producción in-situ de cloro para los sistemas rurales de agua potable, desinfección de aguas de proceso, blanqueo en la industria textil, cloración de piscinas de natación, y otros usos.

METODOLOGÍA EMPLEADA:

Para los procesos de electrocoagulación, electrocoagulación, y electroflotación, se comenzó con recipientes rectangulares de uno a dos litros y fuentes de poder construidas con baterías y pequeños transformadores rebobinados con los cuales se hicieron experimentos, a manera de pruebas de jarra. Se determinaba tiempos de residencia, salinidades, amperajes, voltajes, y reducciones de turbiedad.

Después se construyeron cuatro unidades de flujo continuo para trabajar a 1-2 ltrs/minuto y se evaluaban los mismos parámetros, pero partiendo de los valores óptimos obtenidos en las pruebas de jarra. Finalmente se construyo una planta piloto con capacidad de procesar hasta 300 ltrs/hr, con rangos de tiempo de residencia de 0.5 –15 minutos.

Para la producción de cloro, igualmente se partió con fuentes de poder construidas con pilas, y ánodos de carbón obtenidos como residuos de la fundición de acero.

Después se construyeron celdas electrolíticas con planchas de asbesto, ánodos de carbón y otros materiales. Después se importó de EE.UU. unas planchas de titanio y se compró en Cuenca platino para disolver y hacer el recubrimiento del titanio. Finalmente se llego a la tecnología usada actualmente, que será descrita mas adelante.

ACTIVIDADES O PROCESOS DESARROLLADOS:

Se ha obtenido información y parámetros de operación, en condiciones de flujo continuo para efluentes de:

1. Proceso continuo, en el laboratorio (1-2 ltrs/min.)

Empacadora de camarón. Empacadora de Jaibas (crudas y cocinadas) Café soluble. Faenadoras de pollo. Embotelladora de bebidas efervescentes. Pesticidas. Conservas y jugos de frutas. Simulación de agua de río con concentraciones de arcilla de 400-6000 ppm. Agua negra de pozo séptico

2. Proceso continuo en las empresas

Empacadora de Camarón Empacadora de Jaibas Fábrica de bebidas efervescentes Producción de cloro in-situ Equipo de producción de cloro para Hotel 5 estrellas de la ciudad Varios equipos para empacadoras de banano Equipos para varias piscinas de natación en Guayaquil y Quito Equipos para mantenimiento de reservorios de agua contra-incendios, 10000

metros cúbicos

RESULTADOS OBTENIDOS:

Se cuenta con experiencia, tecnología y medios para diseñar, construir, operar, y mantener sistemas de tratamientos de aguas residuales domesticas e industriales. Para dotar de agua potable al sector rural. También para de fabricar cloro. a precios inferiores a los equipos extranjeros y con la seguridad de servicio técnico y repuestos.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

La tecnología electroquímica aplicada al tratamiento de aguas residuales y a la producción de agua potable presenta ventajas comparativas con los procesos químicos como son: mayor eficiencia, menores costos, y nulo impacto ambiental. Presenta una oportunidad de producir agua de extremada pureza tanto para consumo humano, como para consumo industrial. A lo mejor es una alternativa para los problemas de la industria camaronera.

Otros sectores que podrían beneficiarse de esta tecnología son los sectores exportadores sometidos a rígidos controles ambientales de los países compradores. Además, el gobierno y organismos encargados de proporcionar agua potable a la población rural.

ELECTROCOAGULACION

La coagulación química ha sido utilizada por décadas para desestabilizar suspensiones coloidales. Combinada con la floculación química, logran la precipitación de especies metálicas, y otras especies inorgánicas eliminándolas así, mediante sedimentación y/o filtración, de las corrientes líquidas. Los coagulantes usados han sido sales de hierro, aluminio, cal, polímeros, y otros.

Los precipitados tienen una gran área superficial y son capaces de adsorber compuestos orgánicos y metales, eliminándolos de la disolución. La coagulación-floculación química genera volúmenes apreciables de lodos ligados con fuerza al agua, lo que muchas veces retrasa la filtración, y dificulta el secado de los lodos. También aumenta la salinidad del agua, lo cual puede hacerla inaceptable para ser reutilizada.

La flotación por aire disuelto (D A F) es otro proceso de separación sólido-liquido muy utilizado en la clarificación de aguas industriales, por ejemplo en la Industria azucarera, en la minería, en la industria petrolera, y en muchos sistemas de tratamientos de aguas residuales. Es utilizada para separar suspensiones, y emulsiones de pesos moleculares cercanos al del agua, lo cual dificulta su separación por sedimentación o filtración.

Las dispersiones coloidales son de muy diversa naturaleza. Como los coloides son partículas que desarrollan cargas, se forma un campo eléctrico muy estable que no permite que las partículas se acerquen y se aglomeren. Para clarificar una dispersión coloidal se debe neutralizar el campo eléctrico para permitir que las partículas se acerquen, se unan o aglomeren, y precipiten.

No existen fórmulas que nos indiquen cuales son los parámetros de operación aplicables a la clarificación de una determinada dispersión coloidal. En consecuencia, los parámetros deben ser obtenidos de manera experimental mediante pruebas de jarra.

Los parámetros de operación de la coagulación son:

Tipo y dosificación de coagulante. Un déficit de coagulante no permite formar coágulos consistentes y de tamaño adecuado. Un exceso de coagulante revierte el signo del campo eléctrico de la dispersión coloidal y cause peptización.

Velocidad de mezcla rápida para que el coagulante se mezcle íntimamente con todas las moléculas de la solución.

Tiempos de residencia para mezcla rápida y para mezcla lenta: En poco tiempo no permite buena formación de coágulos y flóculos. Mucho tiempo tiende a destruir los coágulos y flóculos formados.

pH: El punto isoeléctrico, o el punto al cual el campo eléctrico de la dispersión coloidal se neutraliza y los coloides se unen y forman flóculos, es función del pH.

Alcalinidad: Los coagulantes de hierro o de aluminio forman hidróxidos metálicos que precipitan, forman una especie de red que adhiere y arrastra hacia el fondo las flòculos formados. Los OH necesarios para formar los hidróxidos provienen de la alcalinidad de la solución.

Las variables de operación de la floculación son:

Tipo y dosificación del polieléctrolito ayudante de floculación Velocidad de mezcla lenta para que se unan los coágulos recién formados y

formen flóculos que con mayor peso, y diámetro sedimenten fácilmente. Esta aglomeración debe ser suave, de otra manera los coágulos pueden romperse y se revierten a coloides.

Tiempo de residencia. Las variables de flotación por aire disuelto son (entre otras) Tamaño de las burbujas de aire Presión de operación para licuar el aire Tasa de disolución de aire en el agua residual Velocidad de ascensión de las burbujas Densidad (número de burbujas) por área unitaria de flotación Siendo tantas las variables de operación para coagulación, floculación, y

flotación, muchas veces es complejo aplicar estas tecnologías al tratamiento de aguas residuales. Especialmente por que en el País no disponemos de experiencia en el diseño y construcción local de estos sistemas. Tampoco existen instituciones dedicadas a producir tecnología y materiales aplicables a estos casos.

LA ELECTROQUIMICA APLICADA

Quizás para una mejor comprensión de las potencialidades que encierra la Electroquímica podría ser interesante definir brevemente esta parte de la Química e indicar cuales son sus características especiales.

En general se conoce como Electroquímica a la ciencia que trata de los movimientos de cargas, normalmente iones, en una fase y de la Transferencia de cargas, normalmente electrones, de una fase a otra. Para lograr este movimiento, o esta transferencia, se utiliza un campo eléctrico que se crea mediante la aplicación de una diferencia de potencial entre dos fases conductoras (normalmente metales) que constituyen lo que se conoce Como electrodos.

En el seno de una fase, por ejemplo una disolución, se produce un movimiento de iones, yendo los aniones, partículas cargadas negativamente, hacia la zona de potencial más positivo de la fase, y los cationes, partículas cargadas positivamente, hacia la zona de potencial más negativo. Este tipo de movimiento dota a la fase en la que están presentes los iones, de una propiedad denominada conductividad. Puede haber también, y causada por la aparición de un campo eléctrico entre un electrodo y otra fase, normalmente una disolución, una transferencia de electrones del electrodo a la disolución o viceversa. En esta transferencia se produce una reacción química, es decir, se produce la transformación de un producto en otro. Es esta última propiedad en la que se basan la mayoría de las aplicaciones de la Electroquímica para el cuidado de nuestro Medio Ambiente.

Supongamos dos electrodos metálicos A (metal noble) y B sumergidos en una disolución acuosa de una sal de Pb2+. El electrodo A lo conectaremos al polo positivo de una fuente de corriente y el electrodo B al polo negativo (Fig. 01). El paso de corriente produce las siguientes reacciones:

Fig. 01. Procesos de Electrolisis.

En el electrodo A (ánodo) se realiza la reacción de oxidación del agua de acuerdo con:

2H2O → O2 + 4H+ + 4e

En donde e simboliza al electrón.

En el electrodo B (cátodo) se realiza la reducción de los iones Pb2+ a Plomo metálico según:

Pb2+ + 2e→Pb

La reacción global que ocurre durante la electrolisis de la disolución será:

2H2O + 2Pb2+ → 2Pb + O2 + 4H+

Es decir, mediante la aplicación de una diferencia de potencial y como resultado del paso de una corriente, se elimina plomo de la disolución y se produce oxígeno. Si la disolución contuviera un compuesto orgánico tal como ácido fórmico, se habría producido en el ánodo no solo la formación de oxígeno sino la oxidación y eliminación del ácido fórmico, que se transforma en CO2 según:

HCOOH →CO2 + 2H+ + 2e

Considerado desde el punto de vista medioambiental, este sería un método Para eliminar plomo de un agua residual, método que normalmente se emplea no solo para este metal sino para otros muchos. También cabe pensar en su utilización como procedimiento para destruir un compuesto orgánico, ácido fórmico, que se transformaría en CO2, es decir, que se habría “quemado o incinerado”.

Fig. 02. Electroquímica y Medio Ambiente

DESTRUCCIÓN DE MATERIA ORGÁNICA POR OXIDACIÓN DIRECTA O INDIRECTA

La oxidación electroquímica total de compuestos orgánicos que solo contengan carbono conduce a la formación de CO2 en una verdadera reacción de combustión. Así por ejemplo, la oxidación total de metanol conduciría a:

CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e

Dado que prácticamente todos los compuestos orgánicos pueden ser oxidados electroquímicamente, con mayor o menor dificultad. El método Electroquímico de oxidación directa puede ser costoso comparado con los Procesos biológicos. Pero en aquellos casos en que los compuestos orgánicos sean tóxicos para las bacterias de los lechos biológicos, bien por si mismos, caso del fenol y sus derivados, o por su elevada concentración, la oxidación electroquímica directa puede ser aplicada, pero solamente hasta que el agua residual pudiera ser tratada biológicamente.

La oxidación indirecta consiste en la generación electroquímica de oxidantes fuertes que a su vez atacan a la molécula orgánica produciendo su degradación. Entre los oxidantes más utilizados se encuentran el ozono O3, agua oxigenada, H2O2, hipoclorito, ClO-, y cloro, Cl2. Estos dos últimos compuestos son agentes muy activos que se generan con gran facilidad y economía.

ELIMINACIÓN DE METALES

Habíamos visto que era posible eliminar plomo de una disolución de sus iones por depósito sobre un cátodo. Esta es una técnica normalmente empleada para descontaminar vertidos procedentes de industrias diversas, fabricación de acumuladores de plomo, sistemas de depósito galvánico, industria química, lodos de depuradoras, etcétera y que permite, por un bajo coste, inferior en muchos casos a 1 Kwh. por metro cúbico de efluente tratado, eliminar metales tan peligrosos para el Medio Ambiente como el plomo, mercurio, cadmio, y recuperarlos en forma aprovechable. Para este tipo de procesos se pueden utilizar, en algunos casos, células muy simples constituidas por uno o varios cátodos y ánodos dispuestos en serie en un contenedor paralelepipédico (fig 03.)

Figura 03. Célula Chemelec para recuperación de metales.

ELIMINACIÓN DE METALES Y COMPUESTOS ORGÁNICOS POR ELECTROCOAGULACIÓN Y ELECTROFLOTACIÓN

Los precipitados formados durante la coagulación y floculación tienen una gran área superficial y son capaces de adsorber compuestos orgánicos y metales, eliminándolos de la disolución. Esta técnica, puede mejorarse con ayuda de la Electroquímica. Así, si sumergimos en el agua residual a tratar un ánodo de aluminio y un cátodo de hierro y aplicamos un determinado potencial se producirá la disolución del aluminio, con formación de iones Al+3 que, en condiciones adecuadas, formarán una sal insoluble en forma de flóculos que adsorberán a los compuestos orgánicos presentes y a los iones metálicos (electrocoagulación, ver fig 04).

Fig. 04 . Electrocoagulación y Electroflotación

Como en el cátodo se produce hidrógeno en forma de burbujas, estas pueden arrastrar a los flóculos formados hacia la superficie (electroflotación), de la que pueden ser retirados mediante un simple barrido mecánico. Este método presenta la ventaja sobre el método químico clásico de que no se necesita la adición de ningún agente floculante y que los flóculos son arrastrados hacia la superficie y retirados fácilmente de ella. Aunque este método es conocido desde hace tiempo, está experimentando actualmente un resurgimiento debido a su bajo coste y sencillez.

ANEXO

DOS CELDAS DE ELECTROCOAGULACIÒN

MUESTRA ELECTROCOAGULADA EN PROCESO DE EDIMENTACIÓN

MUESTRAS: IZQUIERDA (RECIEN SALIDA DE ELECTROCOAGULACION) DERECHA (3

MINUTOS DE SEDIMENTACIÒN)