TÉCNICAS ELECTROQUÍMICASPARA LA REMOCIÓN-ELIMINACIÓNDE MICROORGANISMOS PATÓGENOS

DE LAS AGUAS”

UNIVERDIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFacultad de Ciencias

Escuela Profesional de Química

Grupo de Investigación enElectroquímica Aplicada

Adolfo La Rosa Toro Gómeztoro@uni.edu.pe

PROPIEDADES DE LOSORGANISMOS PATOGENOS

ESTRUCTURA DE LA EXPOSICIÓN

ELIMINACION DE BACTERIAS PORLA GENERACIÓN IN SITU DE

SUSTANCIAS OXIDANTES

TECNICA DEELECTROCOAGULACION

CONCLUSIONES

PROPIEDADES DE LOSORGANISMOSPATOGENOS

Bacterias Gram positiva y Gram negativa

Figura 1.-Diagrama de la estructura de la membrana citoplasmática; lasuperficie interna se orienta hacia el citoplasma y la externa hacia el ambiente.Fuente: [68]

Bacterias tipo Gram (-) y Gram (+)

De acuerdo al tipo de membrana que presenten las Bacterias, y su respuestaa la tinción, se pueden dividir en 2 grupos:Bacteria Gram (-) : presenta una pared celular compuesta de lipoproteinas ,lipopolisacaridos, y fosfolípidos las cuales son responsables de proporcionarla carga negativa neta.

Bacteria Gram (+): presenta en su pared delgada de polisacáridosy ácidos teicoicos, siendo estas las el responsable de la carga negativaneta de la superficie

ReproducciónEl Eschirichia Coli, es una bacteriaprocariota Gram - , se reproduce pordivisión celular simple, también llamadafisión binaria. Una vez que se produce lareplicación del ADN, se forma la paredtransversa, al multiplicarse se producenclones de células genéticamente idénticas.Sin embargo, suelen ocurrir MUTACIONES yestas, combinadas con el rápido tiempo degeneración de los procariotas, sonresponsables de su extraordinariaadaptabilidad. bajo condiciones óptimas,la E. Coli se puede dividir una vez cada20 minutos, su crecimiento esexponencial

las fuerzas electrostáticas y la hidratación son favorables para laESTABILIDAD DE LOS COLOIDES. Las fuerzas de atracción, en cambio, cumplenun papel opuesto y lo DESESTABILIZAN.

TAMAÑOS DE PARTICULAS EN LAS AGUAS: REMOCION FISICA

TIPOS DE DESINFECCION

La capacidad germicida del cloro se basa en que puede penetrar la paredcelular, alterar funciones específicas de las proteínas e inhibir procesosmetabólicos de bacterias y virus. Algunos grupos de parásitos son resistentesal cloro, como los quistes de protozoarios Cryptosporidium parvum y Giardialamblia, para los cuales se han aplicado dosis hasta de 80 mg/L por 120 minpara lograr sólo 3 unidades de inactivación (US EPA, 1999 a).

MECANISMO DE ACCION DEL CLORO y DERIVADOS

ORPPotencial de oxidación reducción (ORP): El ORP se mide mediante unelectrodo combinado en un voltímetro de alta impedancia, se reporta enunidades de milivoltios (mV) y los resultados representan la capacidadoxidante del agua.

FACTORES QUE AFECTAN LA POTENCIA DE UNDESINFECTANTE1) Concentración del agente y tiempo de actuación 2) pH: El pH afectaa la carga superficial neta de la bacteria En general, las formas ionizadasde los agentes disociables pasan mejor a través de las membranasbiológicas, y por lo tanto son más efectivos. Los agentes aniónicos suelenser más efectivos a pH ácidos. Los agentes catiónicos muestran máseficacia a pH alcalinos.

3) Temperatura.

4) Naturaleza del microorganismo y otros factores asociados a lapoblaciónmicrobiana5) Presencia de materiales extraños:

FACTORES QUE AFECTAN LA POTENCIA DE UNDESINFECTANTE

Figura 4.- Mecanismo de Coagulación- Floculación: a) Compresión de la doble capadifusa; b) Neutralización de carga; c) Formación de puentes químicos. Fuente: [49]

Coagulación y Floculación

La coagulación se refiere al proceso de desestabilización de las partículassuspendidas de modo que se reduzcan las fuerzas de separación entre ellas. Ladesestabilización produce los flóculos o flocs precipitando debido al mayorpeso especifico comparado con el agua

(a)

(b)

(c)

ESTRATEGIAS:

- Eliminacion de bacterias por la generación in situ desustancias oxidantes en las aguas para dar un valor de ORP> 665 mV

- Generación de Flocs que mediante el mecanismo deatracción electrostática posibilite la “captura” de bacterias(pared celular de carga negativa) removiéndolos de lasaguas.

- Envenenamiento de las bacterias por metales pesadoscobre, plata (trabajo iniciado: Filtros de nanoparticulas deplata disperso en perlas de Quitosano)

ELIMINACION DE BACTERIASPOR LA GENERACIÓN IN SITU DE

SUSTANCIAS OXIDANTES

ELECTROOXIDACION POR INTERMEDIACION DE OXIDANTESGENERADOS IN SITU

Donde:C = Cl – yC• = ClO–

R = Bacterias

ELECTROOXIDACION POR INTERMEDIACION DE OXIDANTES GENERADOS IN SITU

EQUILIBRIO QUIMICO DEL HIPOCLORITO EN FUNSION DEL pH

ELECTROOXIDACION POR INTERMEDIACION DE OXIDANTES GENERADOS IN SITU

ELECTRODOS ENSAYADOS PARA LA GENERACION DE SUSTANCIAS OXIDANTES:

Figura 16. Oxidación ex situ utilizando diferentesánodos en una solución de NaCl 2% a pH 2 con unadensidad de corriente de 2,5 mA/cm2.

0 5 10 15 20 25 30

200

400

600

800

1000

1200

+ Na2S2O3 0,1 N

OR

P/ m

V

Tiempo/ minutos

Figura 1. ORP de aguas residuales a pH 2,0 utilizandoelectrodo de de Ti/Co3O4 con una densidad de corriente de2,5 mA/cm2. La línea azul representa el instante a partir delcual se adicionan porciones de 20 μL de Na2S2O3 0,1 N.

0 5 10 15 20 25

0.5

1.0

1.5

Mas

a/ m

g/cm

2

Tiempo/ horas

0 100 200 300 400 500 600

20

40

Mas

a/ m

g/cm

2

Tiempo/ horas

Figura 4. Pérdida de masa frente al tiempo para unelectrodo de Ti/PbO2 en NaCl 6 % durante 460 horasa 0,5 A/cm2.

Figura 2. Pérdida de masa frente al tiempopara un electrodo de Ti/Co3O4 en NaCl 6 %durante 23 horas a 0,5 A/cm2.

ELECTRODOS ENSAYADOS PARA LA GENERACION DE SUSTANCIAS OXIDANTES:

ELECTRODOS NANOESTRUCTURADOS PARA LAGENERACION DEINTERMEDIARIOS OXIDANTES

Fig. 22 Resultados del microanálisis químico por EDX y DRX del electrodo Ti/Co3O4

Fig. 21 SEM del electrodo Ti/Co3O4 obtenido por electrodeposición a) 300X y b) 7500X

% Atómico

Co O Ti

17 67 16

ELECTRODOS NANOESTRUCTURADOS

c:\docume~1\user\escritorio\procyt 2008a\electro\imp050.pfr

1.00 1.40 1.80 2.20 2.60 3.000

0.40

0.80

1.20

1.60

2.00

Z' / ohm

-Z''

/ ohm

Fig. 20 Diagrama Nyquis del electrodoTi/Co3O4 obtenido porelectrodeposición en solución de NaOH0,1 M a diferentes potenciales fijos 0.35V (azul); 0.40 V (rojo); 0.45 (verde); 0.50(negro)

E/V Rs/Ω Rp/ Ω CPE/μF0.5 1.10 0.96 9.70.45 1.12 1.01 10.80.40 1.28 1.11 19.9

Tabla 5 Asignación de valores obtenidos del gráfico de Nyquist delelectrodo Ti/Co3O4 nanoestructurado a diferentes potenciales

ELECTRODOS NANOESTRUCTURADOS

(b)

% Atómico

Ru O Ti

36 41 23

Fig. 26 SEM del electrodo Ti/Co3O4 -Ti/RuO2 obtenido porelectrodeposición a) 300X y b) 4000X

Fig. 22 Resultados del microanálisis químico por EDX del electrodo Ti/Co3O4

ELECTRODOS NANOESTRUCTURADOS

Fig. 26 SEM del electrodo Ti/Co3O4 -Ti/RuO2 obtenido porelectrodeposición a) 300X y b) 4000X

% Atómico

Co Ru OTi

23 4 71 2

Fig. 22 Resultados del microanálisis químico por EDX y DRX del electrodo Ti/Co3O4-RuO2

ELECTRODOS NANOESTRUCTURADOS

Mediciones de ORP de la solución electro-oxidada con los electrodos deTi/Co3O4, Ti/Co3O4 - RuO2 , Ti/Cu0.5Ni0.5Co2O4 y BDD

Parámetro Valores

Densidad de corrienteÁrea del ánodo

Material del cátodoÁrea del cátodo

Volumen del electrolitoConcentración de la

soluciónAgitación del electrolito

Tiempo de electrólisisTemperatura

25 mA.cm-2

1.5 cm2

Titanio2 cm2

50 mL2% en NaCl

Si20 minutos

25 oC

Tabla 8 Parámetros establecidos para elensayo de obtención de agua EO

ELECTRODOS NANOESTRUCTURADOS

E1 : Electrodo de Espinela obtenida por descomposición térmica (DT), Ti/Co3O4E2 : Electrodo de Espinela dopada obtenida por descomposición térmica (DT),

Ti/ Cu0.5Ni0.5Co2O4E3 : Electrodo de Espinela de Cobalto y Rutenio nanoestructurada, Ti/Co3O4 - RuO2E4 : Electrodo de BDD.

Fig. 36 Relación del valor de ORP con el aumento de agua EOen la solución buffer pH 6.3

ELECTRODOS NANOESTRUCTURADOS

Análisis bacteriológico mediante el recuento de colonias Escherichia coli(E. Coli) ATCC 25922, después del contacto con agua electro-oxidada, EO

Dilución

AguaElectro-oxidada

(EO) (mL)

Aguadestilada

Estéril (mL)

Bacterias(mL)

CultivoMadre

Volumenfinal(mL)

1:400 0.025 8.075

1 101:200 0.05 8.951:100 0.10 8.901:20 0.50 8.50

Tabla 10 Relación de dilución, cantidad de agua EO

GENERACION DE AGUA ELECTROOXIDADA

Fig. 37 Placas Petri con el sembrado debacterias E.Coli sobre agar-agar después de24 horas de cultivo a 37 oC, con relación dedilución 1:400 de a) Placa de control conagua EO a tiempo cero de electrólisis; b)Electrodo Ti/Co3O4 (DT); c) Ti/Cu0.5Ni0.5Co2O4;d) Electrodo de Ti/Co3O4-RuO2; e) ElectrodoBDD

GENERACION DE AGUA ELECTROOXIDADA

Fig. 38 Placas Petri con el sembrado debacterias E.Coli sobre agar-agar despuésde 24 horas de crecimiento a 37 oC, conrelación de dilución 1:200 de a) Placa decontrol con agua EO a tiempo cero deelectrólisis; b) Electrodo Ti/Co3O4 (DT); c)Ti/Cu0.5Ni0.5Co2O4; d) Electrodo deTi/Co3O4-RuO2; e) Electrodo BDD

GENERACION DE AGUA ELECTROOXIDADA

Fig.39 Placas Petri con el sembradode bacterias E.Coli sobre agar-agardespués de 24 horas de crecimientoa 37 oC, con relación de dilución1:100 de a) Placa de control con aguaEO a tiempo cero de electrólisis; b)Electrodo Ti/Co3O4 (DT); c)Ti/Cu0.5Ni0.5Co2O4; d) Electrodo deTi/Co3O4-RuO2; e) Electrodo BDD

GENERACION DE AGUA ELECTROOXIDADA

Tabla 11 Recuento de bacterias del agua EO en la placa de control ylas placas de los electrodos E1, E2, E3, E4

GENERACION DE AGUA ELECTROOXIDADA

Electrodo Pérdida de masa/ mgPorcentaje (%) de pérdida

de masa

Co3O4 0.1155 56.2

RuO2+ Co3O4 (2%) 0.0500 17.7

RuO2+ Co3O4 (4%) 0.0081 2.9

RuO2+ Co3O4 (6%) 0.0008 0.3

Tiempo de vida util para electrodos de espinela Dopadas de RuO2- (DT)

TECNICA DE ELECTROCOAGULACION

GENERACIÓN DE FLOCS QUE MEDIANTE ELMECANISMO DE ATRACCIÓN ELECTROSTÁTICA

POSIBILITE LA “CAPTURA” DE BACTERIAS

EVALUACION DEL MATERIAL PRECURSOR DEL Floc (Aluminio)

Elemento Valor (%)

Al 99.47%

Fe 0.20 %

Cu 0.02 %

Si 0.20 %

Ti 0.03 %

Zn 0.08 %

Elemento Valor (%)

Al 98.365Cr 0.0915Cu 0.1600Fe 0.5495Mg 0.1455Mn 0.2285Si 0.2865Ti 0.0905

Tabla 1.- Composición químicade láminas de aluminio puro(Riedel-de Haën) utilizadas parael estudio del comportamientoelectroquímico.

Tabla 2.- Composición química deláminas de aluminio comercialutilizadas para el estudio deeficiencia de remoción demicroorganismos patógenos.

Figura 2.- Respuesta anódica del Al (Riedel-de Haën) después de ser electrolizados atiempos diferentes (a) sin electrólisis previa,(b) 540 s de electrólisis, (c) 2160 s deelectrólisis

Figura 3.- Curvas anódicascomparativas de: (a) Al comercial dechatarra y (b) Al (Riedel-de Haën);en solución 0.1 M de Na2SO4 + 10pm de cloruro

(a)

(b)

EVALUACION DEL MATERIAL PRECURSOR DEL FLOC (Aluminio)

EVALUACION DEL MATERIAL PRECURSOR DEL FLOC (Aluminio)

Mecanismo de corrosión química y electroquímica

* Experimentalmente Se ha obtenido eficiencias de corrosión > 100 %

Anodo:Al (s) → Al 3+ + 3e-Cátodo2H2O + 2e- → 2OH- + H2

Reacción secundaria anódica:

2H2O → O2 + 4H+ + 4e-

Figura 5.-Diagrama de solubilidad de especies de Al (III) en función del pH. [38]

EVALUACION DEL MATERIAL PRECURSOR DEL FLOC (Aluminio)

ENSAYO DE REMOCIÓN DE BACTERIAS PATÓGENAS

- Pseudomona aeruginosa (Bacteria Gram (-) )

- Escherichia coli (Bacteria Gram (-) )

- Staphylococcus aureus (Bacteria Gram (+) )

Alícuota BacterianaInoculada (mL) UFC/mL

V:150 mL(UFC/mL)

(*)

Dilución1:1000 y sembrado de

1mL (UFC/mL) (**)

1 1.8x109 1.2x107 1.2x104

3 1.8x109 3.6x107 3.6x104

5 1.8x109 6.0x107 6.0x104

Contenido de bacterias (UFC)/mililitro sembrado en placas Petri.

* Dilución contenida en la celda de electrólisis de 150 mL** Dilución para el sembrado en placas petri con caldo nutritivo agar

Remoción de Pseudomona aeruginosa

Figura - Electrocoagulación (12min) de:a) 1.2 x107, b) 3.6x107; c) 6.0x107 UFC/mL decepa Bacteriana de Pseudomona diluido en150mL de solución de cloruro de sodio 0.017M;Izquierda: Muestra (tiempo cero). Derecha:Cultivo de 1mL de muestra luego del tratamientocon 24 horas de reposo.

(a) (b)

(c)

Remoción de Escherichia coli

(a) (b)

(c) Figura. Electrocoagulación (12min) de:a) 1.2 x107 ; b) 3.6x107; c) 6.0x107 UFC/mL decepa Bacteriana de E.Coli diluido en 150mL desolución de cloruro de sodio 0.017M; Izquierda:Muestra (tiempo cero). Derecha: Cultivo de 1mLde muestra luego del tratamiento con 24 horasde reposo.

Remoción de Staphylococcus aureus

Figura. Electrocoagulación (12min) de:a) 1.0 x107 ; b) 3.0 x107; c) 5.0x107 UFC/mL decepa Bacteriana de E.Coli diluido en 150mL desolución de cloruro de sodio 0.017M; Izquierda:Muestra (tiempo cero). Derecha: Cultivo de 1mLde muestra luego del tratamiento con 24 horasde reposo.

Tipo deBacteria

Aluminio(ppm)

UFC/mLRelación

Al(µg)/UFC

E.coli 103.34 6.0x107 1.722

Pseudomona 107.28 6.0x107 1.788

S.areus 110.36 5.0x107 2.207

•Relación Aluminio generado -Bacteria :

Tipo de Bacteria IDUFC/mL

InicialUFC/mL

Final% Remoción

Bacteria Gram (-)

Pseudomona1.2x107 0 100%3.6x107 0 100%6.0x107 9 99.99%

E.coli1.2x107 0 100%3.6x107 0 100%6.0x107 0 100%

Bacteria Gram(+)

S. aureus1.0x107 0 100%3.0x107 0 100%5.0x107 70 99.86%

Eficiencia de remoción de Microorganismos patógenos

El tiempo de electrólisis para el tratamiento de todas las muestras es de 12minutos, a una densidad de corriente de 2.5A/dm2 y el pH se mantuvo en el rangode 6-8.

Aplicación en aguas servidas de la provincia de Huamanga -Ayacucho

Foto 1.1. Vista de la Planta de Tratamiento de Aguasresiduales PTAR “La Totora” - Ayacucho

Parámetros

02/0

5/09

30/0

6/09

20/0

1/10

*

02/0

2/10

02/0

3/10

17/0

5/10

ENCAACategoría 3

Riego Bebida deAnimales

Hora 11:10a.m.

10:30a.m.

5 :00p.m.

2:00p.m.

3:00p.m.

2:30p.m.

-- --

pH 7,71 7,61 8,09 7,86 7,75 7,80 6,5 -8,5 6,5 -8,4Conductividad(µS/cm)

675 795 665 678 683 759 < 2000 < 5000

Turbidez (NTU) 22,4 23,2 23,7 22,4 28,8 30,05 -- --Sólidos Totales 442 456 461 432 454 551 -- --Alcalinidad(mg CaCO3/L)

226 214 159,1 180,5 161,2 153,5 -- --

Dureza Total (mgCaCO3/ L)

160,1 154 112,5 133,3 118,9 112,9 -- --

Cloruros(mg NaCl/L)

152,1 140 109,4 119,7 127 142,6 100-700 --

DBO5 mg/L** -- 38 44 45 40 40 15 < = 15Coliformes Fecales** 2x106 5 x105 3 x105 7x105 1,4x105 1,53x105 5 000 5 000

Aluminio*** -- -- 0,045 0,139 0,25 5 5Arsénico*** -- -- 0,027 -- < 0,02 0,05 0,1Cadmio*** -- 0,000

6-- -- -- < 0,003 0,005 0,01

Cromo*** -- 0,021 -- -- -- < 0,01 -- --Plomo*** -- 0,005

8-- -- -- < 0,01 0,05 0,05

Caracterización de Aguas servidas de la PTAR - Ayacucho

Tratamiento de Aguas servidas de la PTAR - Ayacucho

Características iníciales de muestra de aguapH : 7,66 Conductividad: 659 S/cm Turbidez : 28 NTU

Electrocoagulación:RPM: 300

Floculación:Mezcla lenta, tiempo 15 minRPM: 40

Electrodos: Aluminio – Acero inoxidableÁrea = 8 cm2

Sedimentación : 3 h

Densidad de Corriente: 12,5 mA/cm2

Voltios: 31,0 – 31,2 VVolumen de Muestra: 200 mL

Nº Muestra TiempoEC(s)

Masa de Al producido porEC

mi (Al) - mf (Al) (g)

Concentración de Al3+

(ppm)

Coliformes Totales %remoción

CT1 0 -.- -.- 28x107 NMP/1ml -.-

2 78 0,2325 - 0,2318 = 0,0007 3,5 20x107 NMP/1ml 28,57

3 113 0,2109 - 0,2099 = 0,0010 5 15x107 NMP/1ml 46,42

Tratamiento de Aguas servidas de la PTAR - Ayacucho

Parámetros % de remoción

Turbidez (NTU) 94,65

DBO5 mg/L 64,8

Coliformes Fecales NMP/100 mL 65,11

Parámetros Muestra Aguaresidual

Muestra tratada porElectrocoagulación

45 min

% de remoción

pH 7,72 7,34 (regulado)

Turbidez (NTU) 18,53 2,27 87,74

DBO5 mg/L 41,80 4,40 89,47

Coliformes FecalesNMP/100 mL

43 x 106 3 x 106 93

25 minutos de electrólisis

45 minutos de electrólisis

Tratamiento de Aguas servidas de la PTAR - Ayacucho

Tiempo de electrólisis /minutos

% d

e R

emoc

ión

de C

T /U

FC

Tratamiento de Aguas servidas de la PTAR - Ayacucho

CONCLUSIONES

Es posible la desinfección de aguas empleando electrodos de bajo costo Para uso como agua potable, o solución de desinfección de acuerdo a la

dilución emppleada.

De acuerdo a los resultados, la técnica de la electrocoagulación conánodos de aluminio comercial presenta alto grado de eficiencia deremoción de microorganismos patógenos tipo Gram(+) y Gram(-).Técnica atractiva y eficiente en el tratamiento de aguas infectadas paraúso posterior como aguas de riego

AGRADECIMIENTOS

Concejo Nacionalde Ciencia y Tecnología

Instituto de InvestigaciónDe la Facultad de Ciencias

Grupo de Electrocatálisis yElectroquímica de Polímeros

Lic. Miguel Ponce VargasLic. Daniel Alonso Gamero Q.

Tesistas de la Licenciatura de Química

Tesistas de la MaestríaIng. Gloria Barboza Palomino.

ColaboradoresBiol. Pilar Amalia GarciaBach. Lucy Coria OriundoAlum. Renzo Olazo

GRACIAS POR LA ATENCION ¡¡