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TECNOLOGÍAS ELECTROQUÍMICAS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS:

ELECTROCOAGULACIÓN

MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.

Instituto Universitario del Agua y las Ciencias Ambientales. Universidad de Alicante.

Alicante, 23 de Enero de 2018

Mª José Moya Llamas. Dr. Ing.C.C.P.

• INTRODUCCIÓN.

• FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LA EC.

• CONFIGURACIÓN Y PRINCIPALES COMPONENTES.

• PRINCIPALES VARIABLES DEL PROCESO.

• COAGULACIÓN VS. ELECTROCOAGULACIÓN.

• APLICACIONES.

• PROCESOS COMBINADOS.

• BIBLIOGRAFÍA.


- Muy prometedoras en el campo del tratamiento de aguas tanto

superficiales como residuales.

- Destacan:

- Electro-coagulación,

- electro-diálisis,

- electro-flotación,

- electro-deposición


- Muy prometedoras en el campo del tratamiento de aguas tanto

superficiales como residuales.

- Destacan:

- electro-diálisis,

- electro-flotación,

- electro-deposición


- Conocida desde hace décadas, la EC se basa en la aplicación de una

corriente eléctrica mediante dos electrodos a una solución electrolítica,

generando agentes desestabilizantes que neutralizan las cargas para la

eliminación de contaminantes de la disolución.


Procesos involucrados en

un reactor de EC. Fuente:

Martínez, 2007.

Combina las ventajas de la coagulación convencional con las de los procesos electroquímicos.


Medioambientalmente sostenible

Versátil

Selectiva

Segura

Eficiente energéticamente

Fácilmente operable

Automatizable

Ventajas

TECNOLOGÍA EMERGENTE EN EL TRATAMIENTO AVANZADO DE LAS AGUAS

- Tecnología emergente aunque escasamente investigada en el campo del

tratamiento de las aguas residuales especialmente en cuanto a

eliminación/reducción de:


EC

Coloides (1-1000 nm)

DQO

Sales (amonio, sulfatos, fosfatos), cianuros, fenoles,

tensioactivos, tintes y colorantes.

Grasas, aceites y

emulsiones

Electro-deposición de metales

pesados (Zn, Pb, Ni, Cr),

Micro-contaminantes

(CEs)

:

Electro-oxidación del ánodo y pasivación del cátodo dando lugar a la formación de

hidróxidos complejos que por absorción forman agregados hidrofóbicos (flóculos) con

los contaminantes facilitando su eliminación bien por decantación o bien por la

electroflotación debido al gas generado en la superficie electródica durante el proceso.


:

La EC o coagulación asistida electroquímicamente es la producción electroquímica de

agentes desestabilizantes que neutralizan las cargas para la eliminación de los

contaminantes de la disolución. Las reacciones intervinientes son:


- En el caso de ánodo de aluminio: Al →Al3+ (aq) +3e−

Al3+ (aq) +3H2O→Al(OH)3 +3H+ (aq)

nAl(OH)3 →Aln(OH)3n

- En el caso de ánodo de acero. En este caso se genera Fe(OH)n por dos mecanismos:

Mecanismo 1:

Ánodo: 4Fe(s) →4Fe2+ (aq) +8e−

4Fe2+ (aq) +10H2O(l) +O2(g) →4Fe(OH)3(s) +8H+ (aq)

Cátodo: 8H+ (aq) +8e− →4H2(g)

Global: 4Fe(s) +10H2O(l) +O2(g) →4Fe(OH)3(s) +4H2(g)

Mecanismo 2:

Ánodo: Fe(s) →Fe2+ (aq) +2e−

Fe2+ (aq) +2OH− (aq) →Fe(OH)2(s)

Cátodo: 2H2O(l) +2e− →H2(g) +2OH− (aq)

Global: Fe(s) +2H2O(l) →Fe(OH)2(s) +H2(g)

• Celda electrolítica,

• Disolución electrolítica a tratar,

• Electrodos (ánodo y cátodo),

• Fuente de energía eléctrica,

• Conductores,

• Elementos de control y medida.


Esquema de un sistema de

electrocoagulación. Fuente:

Arango, A., 2011.

• Según la disposición de los canales:

- De canal único

- De canales múltiples

• Según la disposición de los electrodos:

- En configuración monopolar,

- En configuración bipolar.

• Según la conexión a la fuente de corriente:

- En paralelo,

- En serie.

• Según la morfología de los electrodos:

- Planos,

- Cilíndricos

• Según la entrada del flujo:

- Flujo horizontal,

- Flujo vertical.


Disposición de los electrodos en configuración monopolar y

bipolar. Fuente: Martínez, 2007

Configuración de los canales. Fuentes: Martínez, 2007

• Altamente relacionado con la disolución de hidróxido del metal. Diferentes

especies poliméricas generadas en función del pH del efluente ((Al3+, Al(OH)2+,

Al(OH)2+ , Al(OH)3 (precipitado), Al(OH)4-).

• La EC en medio ácido aumenta la acidez del mismo (mayor velocidad de

corrosión). En medios alcalinos aumenta su capacidad buffer.


Diagrama de especies poliméricas generadas en función del pH. Fuente: Martínez, 2007.

• La presencia de NaCl o CaCl2 incrementa la conductividad de la disolución y disminuye los

precipitados sobre los electrodos.

• Escasos estudios al respecto. Con electrodos de aluminio la máxima eficiencia se alcanza a

60ºC. En la práctica esto sería ineficiente: se opera a T ambiente.

• Generalmente acero o aluminio. Pueden utilizarse otros metales (titanio/ruterio, indio/talio, DDB

(diamante dopado con boro, etc.)

• Distancia entre electrodos a fin de optimizar el efecto gradiente generado entre ambos. Influye en

el consumo energético.

• Posibilidad de operar alternando cíclicamente la corriente eléctrica (ACE- Alternating Current

Electrocoagulation ).

• Inferior a 20-25 A·m2.

• Aplicación intermitente de la corriente (pulsos ON/OFF) para favorecer desprendimiento capa

óxido.


En ambos procesos las partículas coloidales suspendidas son neutralizadas por colisión

mutua formando agregados o flóculos capaces de sedimentar.

- En la esto es debido a la interacción con un reactivo (sales

metálicas, polímeros y polielectrolitos. Generalmente Al2(SO4)3·18H2O). Requiere

de agitación mecánica.

- En la , la oxidación electrolítica del ánodo provoca la coagulación

por dos mecanismos: por interacción entre partículas con carga iónica opuesta y

por generación de hidróxidos metálicos. No requiere de reactivos ni de agitación.



Ventajas

• Elimina turbidez, color y olor.

• Genera menor volumen de fangos y favorece su acondicionamiento (más hidrófobo, compacto, decantable y manejable).

• Las burbujas de gas en la superficie del electrodo favorecen electroflotación.

• No requiere de reactivos ni de agitación mecánica.

• Menores TRH.

• Alta reducción de compuestos fosforados debido a que la precipitación de iones Fe3+ y Al3+ da lugar a la formación de fosfatos insolubles.

• Alta efectividad frente a un amplio rango de contaminantes.

• P atmosférica y T ambiente.

• Sencillo, fácil de implementar y operar.

Inconvenientes

• Disolución del ánodo (fungible).

• Consumo energético del proceso.

• Presencia de metales en el fango.

• Capa impermeable de óxido en el cátodo. Reduce la eficiencia.


• Eliminación de coloides, nitratos, tratamiento de aguas procedentes de presas y

embalses, aguas conteniendo boro, cadmio, cobre, etc. (Maneri et al., 2001; Hu et al.,

2005; koparal y Ogutveren, 2002; Vasudevan et al., 2010)

• Minería y procesado de metales (Díaz et al., 2003; Gao et al., 2005)

• Industria papelera (Zaied and Bellakhal, 2009)

• Aceites y emulsiones (Chen et al., 2000); Tezcan et al., 2007; Khoufi et al., 2007)

• Lecherías (Kushwaha et al., 2010)

• Defluoración del agua,

• Textiles, tintes y colorantes (Bayramoglu et al, 2007; Zaroual et al, 2006)

• Detergentes sintéticos,

• Amoníaco, etc.

• Tratamiento A.R.U. (Pouet and Grasmick, 1995; Jiang et al., 2002; Bukhari, 2008)

• Eliminación del fósforo (eutrofización zonas sensibles) por formación de AlPO4 y FePO4.

(Bektas et al., 2004),

• Pesticidas (Khoufi et al., 2007; Yahiaoui et al., 2011), antibióticos (Laridi et al.,

2005),entre otros CEs.


• Tratamiento aguas residuales procedentes de operaciones mecánicas químicas.

(Belongia et al.,1999)

• Tratamiento de A.R.U. (Pouet and Grasmick, 1995)

• Tratamiento de A.R.U. (Bani-Melhem and Elektorowicz, 2011; Hasan et al, 2014; Ibeid et

al., 2013)

Figura Esquema planta

combinada MBR+EC.

Fuente: Bani-Melhem. &

Elektorowicz, 2011


Bani-Melhem, K., & Elektorowicz, M. (2011). Performance of the submerged membrane electro-bioreactor (SMEBR) with iron electrodes for wastewater treatment and fouling reduction. Journal of membrane

science, 379(1), 434-439.

Bayramoglu, M., Eyvaz, M., & Kobya, M. (2007). Treatment of the textile wastewater by electrocoagulation: economical evaluation. Chemical Engineering Journal, 128(2), 155-161.

Chen, G. (2004). Electrochemical technologies in wastewater treatment. Separation and purification

Technology, 38(1), 11-41.

Hasan, S. W.; Elektorowicz, M. and Oleszkiewicz, J. A. (2014). Start-Up Period Investigation of Pilot-Scale

Submerged Membrane Electro-Bioreactor (SMEBR) Treating Raw Municipal Wastewater. Chemosphere,

97, pp. 71-77 SCOPUS.

Ibeid, S.; Elektorowicz, M .and Oleszkiewicz, J. A. Novel Electrokinetic Approach Reduces Membrane

Fouling. Water Research, 2013, vol. 47, no. 16, pp. 6358-6366 SCOPUS.

Kuokkanen, V., Kuokkanen, T., Rämö, J., & Lassi, U. (2013). Recent Applications of Electrocoagulation in

Treatment of Water and Wastewater. A Review. Green and Sustainable Chemistry, 3(2), 89-121.

Martínez Navarro, F. (2007). Tratamiento de aguas residuales industriales mediante electrocoagulación y

coagulación convencional. Tesis doctoral. Universidad de Castilla la Mancha. Ciudad Real.

Mollah, M. Y. A., Schennach, R., Parga, J. R., & Cocke, D. L. (2001). Electrocoagulation (EC)—science and

applications. Journal of hazardous materials, 84(1), 29-41.

Ruíz, Á., & Garcés, F. (2009). Influencia de la conductividad eléctrica en la electrocoagulación de aguas

residuales de la industria láctea. Producción+ Limpia, 4(2), 54-64.

TECNOLOGÍAS ELECTROQUÍMICAS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS:

ELECTROCOAGULACIÓN


Instituto Universitario del Agua y las Ciencias Ambientales. Universidad de Alicante.

Alicante, 23 de Enero de 2017

Mª José Moya Llamas. I.C.C.P. ([email protected])

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