ELECTROFLOTACIÓN
INDICE 1. MARCO TEORICO
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1.1. Reacciones Electroquímicas y Tasa de Generación de Gas
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1.2. Voltaje de la Electrólisis y Consumo Específico de Energía
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2. CARACTERISTICAS DE LA ELECTROFLOTACIÓN
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2.1. Tamaño de Burbujas
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2.2. Operación
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2.3. Separación Simultánea y Desinfección
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3. LOS ELECTRODOS DEL SISTEMA
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3.1. Cátodos
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3.2. Ánodos 3.2. Ánodos
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3.3. Disposición de Electrodos
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4. LOS DISEÑOS TÍPICOS
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4.1. Electroflotación de Una Etapa
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4.2. Electroflotación de Dos Etapas
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4.3. Combinación de Electroflotación y Electrocoagulación
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5. AGUA Y AGUAS RESIDUALES TRATADAS POR ELECTROFLOTACIÓN ELECTR OFLOTACIÓN
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6. CONCLUSIONES
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7. BIBLIOGRAFIA
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ELECTROFLOTACIÓN 1. MARCO TEORICO 7.1. Reacciones Electroquímicas y Tasa de Generación de Gas La electrolisis es una tecnología electroquímica mediante la que se provoca un cambio químico en un líquido por intervención de la energía eléctrica. En la Electroflotación, las burbujas de oxígeno y el hidrógeno se generan en un ánodo y un cátodo, respectivamente, como a continuación: 2H2O → O2+4H+ (en el ánodo) 2H++2e → H2 (en el cátodo) La reacción total es: 2H2O → 2H2+O2
Figura 1. Electroflotación
Esta ecuación demuestra que la cantidad de gas hidrógeno generado es el doble del gas oxígeno. La tasa de generación de gas se puede calcular de acuerdo con la ley de Faraday:
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Donde QH es la tasa de generación del gas de hidrógeno; QO tasa generadora de gas oxígeno (L/s) en el estado normal; V 0 el volumen molar de los gases en el estado normal (22,4 L/mol); F de la Constante de Faraday (96,500 C/mol electrones); nH es el número de transferencia de electrones de H2 (2 electrones mol por mol de H2); y nO es el número de transferencia de electrones de O2 (4 electrones mol por mol de O2). La tasa de los gases totales generadora es:
Donde Qg es la generación de los gases totales tasa (LS-1) en el estado normal. 7.2. Voltaje de la Electrólisis y Consumo Específico de Energía El voltaje de electrólisis entre dos electrodos es la adición de la diferencia de potencial de equilibrio, el sobrepotencial de ánodo, el sobrepotencial del cátodo y el potencial óhmico de gota de la solución acuosa, como se muestra a continuación:
Donde U es la tensión de electrólisis (V); E eq la diferencia de potencial de equilibrio para el agua (V); ηa sobrepotencial el ánodo (V); ηc el sobrepotencial cátodo (V); d la distancia entre los electrodos (m); κ la conductividad de la solución (Sm-1); y i es el densidad de corriente (A/m2). Por lo general, las sobretensiones son sobretensiones de activación y sobretensiones de concentración. Están relacionados con muchos factores, incluyendo las propiedades electroquímicas de electrodos, la densidad de corriente utilizada, y el valor pH de la solución. Por lo tanto, el cálculo directo de la tensión de electrólisis utilizando todavía la ecuación anterior es difícil, y la medición experimental es necesaria. Sin embargo, es útil señalar que la tensión de electrólisis requerida en un proceso de Electroflotación es principalmente del potencial óhmico de la fase acuosa, especialmente cuando la conductividad es baja y la corriente la densidad es elevada. Puesto que la caída de potencial óhmico es proporcional a la distancia entre los electrodos, reducir esta distancia es de gran importancia para reducir el consumo de energía de electrólisis. Además, cuando la conductividad es baja, la aplicación directa de Electroflotación consume gran cantidad de electricidad. Para este caso, la adición de sal de mesa (NaCl) es muy útil. El consumo de energía específico de Electroflotación durante la electrólisis se puede calcular de acuerdo a:
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Donde W es el consumo específico de energía (kWh/m3=); I la corriente de electrólisis (A); QW el caudal de agua (m3/ h); y q=I/QW es el valor de la carga (Ah/m3). 2. CARACTERISTICAS DE LA ELECTROFLOTACIÓN 2.1. Tamaño de Burbujas La flotación es un proceso complicado. Su eficacia de separación depende no sólo de las propiedades de las sustancias suspendidas, la relación de volumen de las burbujas de gas a las sustancias en suspensión, y el tiempo de retención del depósito de flotación, sino también en el tamaño de sus burbujas. Por lo general, cuanto más pequeño sean las burbujas, mayor eficiencia tendrá la flotación. Esto es simplemente porque las pequeñas burbujas pueden proporcionar una mayor área de superficie específica para la unión de partículas. Por lo tanto, la generación de burbujas finamente dispersas es altamente deseada para cualquier proceso de flotación. La Electroflotación puede producir burbujas mucho más pequeñas que DAF y muchos otros métodos de flotación. Esta es una de las características más atractivas del proceso de Electroflotación. Por lo general, los tamaños de las burbujas generadas electrolíticamente obedecen a una distribución logarítmica normal. La Tabla 1 muestra típicos tamaños de burbujas. Los diámetros medios de las burbujas de hidrógeno y oxígeno generado en la Electroflotación son del rango de 17 a 50 µm. En contraste, los diámetros típicos promedio de las burbujas liberadas en DAF son de 48 a 58 µm utilizando una unidad de agua a presión de liberación, y aproximadamente 60 µm utilizando una válvula de aguja; la Flotación por Aire Dispersado (DAF) produce burbujas con diámetros de 75 a 655 µm. Tabla 1. Los tamaños típicos de burbujas generadas electrolíticamente.
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Las burbujas más pequeñas generados electrolíticamente significa que la Electroflotación tiene una mayor eficiencia para la separación de las sustancias en suspensión que los procesos de flotación convencional. Cabe señalar que el tamaño de las burbujas generadas electrolíticamente depende del pH. Las burbujas de hidrogeno son las más pequeñas a pH neutro, mientras que el tamaño de las burbujas de oxígeno aumenta con el pH. Además, es necesario señalar que el estado de la superficie del electrodo puede afectar al tamaño de las burbujas de forma significativa. El pre-tratamiento de la superficie del electrodo por chorro de arena y/o ataque químico con ácido clorhídrico hervida es beneficioso para la reducción del tamaño de las burbujas. 2.2. Operación La operación de Electroflotación es muy simple. Esta es otra característica importante de la Electroflotación. Mediante la variación de corriente, se hace posible crear cualquier concentración de burbujas de gas en el medio de flotación para adaptarse a la variación de la tasa de flujo de agua y la concentración de las sustancias suspendidas de vez en cuando. Si es necesario, un medio gaseoso con una superficie muy grande se puede formar fácilmente durante la Electroflotación, aumentando así las probabilidades de colisión de burbujas, la adherencia y la formación de tenaces burbujas complejas. 2.3. Separación Simultánea y Desinfección Cuando los iones cloruros están presentes, es posible conseguir la separación simultánea y desinfección para tratamiento de aguas y aguas residuales por la generación electrolítica de cloro: 2Cl- → Cl2 + 2e- (en el ánodo) Cl2 + H2O → HOCl + HCl HOCl → H+ + OClLos fenómenos combinados hacen de la Electroflotación una tecnología atractiva para el tratamiento y la reutilización de las corrientes de agua de proceso de alimentos, o incluso una operación de procesamiento de fluidos directa de alimentos del que se requiere la separación y la desinfección. 3. LOS ELECTRODOS DEL SISTEMA En cualquier proceso electroquímico se genera un campo eléctrico entre el ánodo y el cátodo, que actúa como fuerza impulsora en la migración de iones entre ambos sistemas. Este fenómeno puede ser utilizado en combinación con tecnología de membranas para la separación de iones en medios líquidos. El objetivo del tratamiento electrolítico de aguas residuales es la oxidación o la reducción de los contaminantes contenidos en las aguas, de modo que estas especies se transformen en otras con menor peligrosidad ambiental Sin embargo, dado que en las aguas residuales INDUSTRIA DE LOS PROCESOS QUÍMICOS
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pueden existir otras muchas especies químicas, durante una electrolisis en los electrodos pueden ocurrir otras reacciones distintas de las de eliminación directa de los contaminantes. Entre ellas están las reacciones de generación de compuestos con capacidad de oxidar o reducir a los contaminantes contenidos en el agua residual. Así, si en el agua residual hay cloruros, estas especies químicas pueden oxidarse a cloro / hipoclorito, y este oxidante puede actuar sobre los contaminantes oxidándolos, y convirtiéndolos de esta forma en otras especies químicas. 3.1. Cátodos Los metales y aleaciones se seleccionan generalmente como cátodos para la evolución del hidrógeno en la Electroflotación. Para mayoría de los casos, el acero inoxidable es una buena opción porque es barato y fácilmente disponible. El níquel se sabe que tienen bajo sobrepotencial para la evolución de hidrógeno. Por lo tanto, el uso de un cátodo de níquel puede ahorrar consumo de energía. El titanio es caro, pero es muy estable. Por lo tanto, este metal se puede seleccionar como un material de cátodo en el tratamiento de las aguas residuales corrosivas. 3.2. Ánodos En comparación con los cátodos, ánodos disponibles son mucho menos severos porque electroquímica corrosión puede producirse cuando los metales comunes y sus aleaciones se utilizan como ánodos. En realidad, la falta de ánodos estables y baratos fue uno de los factores clave que limitan la amplia aplicación de la Electroflotación en la industria. Afortunadamente, este problema ha sido bien resuelto por el rápido desarrollo de ánodos rentables en los últimos años. 3.3. Disposición de Electrodos Los electrodos pueden estar dispuestos en diferentes patrones. Por lo general, un electrodo placa es instalado en la parte inferior, mientras que un electrodo de pantalla se fija en 10-50mm por encima de la placa de electrodo como se muestra:
Figura 2. Disposición convencional de los electrodos
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En tal disposición, sólo el electrodo superior de la pantalla se enfrenta el flujo de agua, mientras que la parte inferior el electrodo no interacciona con el flujo directamente. Por lo tanto, las burbujas generadas en el electrodo inferior no pueden dispersarse en el agua inmediatamente ser tratada. Esto no sólo disminuye la disponibilidad de las pequeñas burbujas eficaces, pero también aumenta la posibilidad de romper los flóculos formados previamente, afectando a la flotación de la eficiencia. Además, si la conductividad es baja, el consumo de energía será inaceptablemente alto debido a la gran distancia entre los electrodos necesarios para prevenir el cortocircuito entre el electrodo de pantalla flexible superior y la placa inferior del electrodo.
Figura 3. Disposición vertical de Electrodos
Figura 4. Disposición abierta de Electrodos
4. LOS DISEÑOS TÍPICOS 4.1. Electroflotación de Una Etapa La unidad de Electroflotación puede ser diseñado en varias configuraciones. Para la mayoría de los casos, la Electroflotación de una etapa con un flujo horizontal es una buena opción debido a la simplicidad. Un prototipo de una sola etapa del sistema de Electroflotación se muestra en la Figura 5. La unidad se construyó utilizando una pantalla de columbio revestido de platino como un ánodo, y una pantalla de acero inoxidable como cátodo. El ánodo tenía un área de 1.35 m 2, y se coloca en la parte inferior. La profundidad del agua por encima del cátodo era de unos 98 cm. La velocidad de flujo y el volumen efectivo eran 1.1 m 3/h y 1.4 m3, respectivamente. El sistema ha sido utilizado con éxito para la descontaminación de las aguas subterráneas. Una alternativa al diseño INDUSTRIA DE LOS PROCESOS QUÍMICOS
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anterior es la Electroflotación de una sola etapa con un flujo vertical como se muestra en la Figura 6. Tal sistema puede tener una mayor eficiencia de separación debido a la distribución uniforme del flujo. Cuando la relación de tratamiento es grande, la Electroflotación de una sola etapa con una cámara de contacto y una cámara de separación, como se muestra en la Figura 7 puede ser considerado. En tal sistema de Electroflotación, el área de los electrodos puede reducirse significativamente. Sin embargo, su eficiencia de separación puede disminuir debido a los fragmentos que caen de la capa de suciedad durante el desnatado no puede estar flotando a la cima de nuevo.
Figura 5. Electroflotación de una sola etapa con flujo horizontal.
Figura 6. Electroflotación de una sola etapa con flujo vertical.
Figura 7. Electroflotación de una sola etapa con una cámara de contacto y una cámara de separación.
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4.2. Electroflotación de Dos Etapas Con el fin de mejorar la eficiencia de separación, la Electroflotación en dos etapas puede ser utilizada. Un típico sistema de Electroflotación de dos etapas se muestra en la Figura 8. En la primera etapa, hay una mezcla vigorosa, debido a la rápida producción de burbujas y gas debido a la alta corriente, lo que acelera la formación de los complejos de flotación y del desplazamiento de ellos a la superficie, con la capa de espuma reciben 80 al 90% de las impurezas que se extraen. La etapa secundaria tiene una carga de corriente seleccionado para proporcional a las burbujas la flotación en condiciones cercanas al laminar, que proporciona la extracción de las impurezas suspendidas de tamaño inferior a 10 µm. Existe un efecto de purificación adicional debido a la filtración de la solución a través de la capa densa de burbujas. El líquido se desplaza hacia abajo y el efluente purificado se retirado debajo de la unidad de electrodo.
Figura 8. Electroflotación en dos etapas.
4.3. Combinación de Electroflotación y Electrocoagulación o
Electrocoagulación Es un proceso químico en el que mediante la adición de reactivos se consigue desestabilizar los coloides presentes en un agua de abastecimiento o residual. En este tipo de aguas, la materia coloidal está estabilizada por las fuerzas de repulsión electrostática, que impiden la unión de las partículas para formar agrupaciones de mayor tamaño (no coloidales). El objetivo de la coagulación es agrupar estas partículas coloidales mediante la minimización de las fuerzas electrostáticas de repulsión. Este fenómeno se puede conseguir por distintos mecanismos entre los que están la compresión de la doble carga eléctrica, la neutralización de cargas en la superficie de las partículas o la inmersión de las partículas coloidales en un precipitado.
Con el fin de separar las partículas finamente dispersas efectivamente, La Electroflotación se puede combinar con agentes químicos o la Electrocoagulación. La Figura 9 muestra la combinación de la Electroflotación y la Electrocoagulación para el tratamiento de aguas residuales aceitosas. En tal proceso, principalmente la Electrocoagulación desempeña el papel de desestabilizador ay agregación de partículas finas, mientras que la INDUSTRIA DE LOS PROCESOS QUÍMICOS
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Electroflotación es responsable de los flóculos formados flotando en el efluente de la Electrocoagulación. Ti/IrO2 – Sb2O5 – SnO2 y titanio se utilizan como ánodo y el cátodo respectivamente, para la Electroflotación, y las placas de aluminio se utilizan como ánodos y cátodos para la Electrocoagulación. La separación de aceite es muy eficaz. Incluso a una carga tan baja como 0.5 Faraday por m3, el aceite se reduce de 710 mg/L hasta cerca de 10 mg/L con una eficiencia de eliminación más del 98%. A medida que aumenta la carga a 1.5 Faraday por m3, el contenido de aceite en el efluente es sólo 4 mg/L. La separación de sólidos suspendidos también es eficaz. La concentración de sólidos suspendidos puede ser reducido de 330 mg/L a 74mg/L con una carga de 0.5 Faraday por m 3 y solo 17 mg/L para una carga de 3.0 Faraday por m 3. El combinado de Electroflotación y Electrocoagulación tiene dos ventajas siginficativas sobre los otros procesos: menor tiempo de retención y el lodo seco producido. Diez minutos son suficientes para lograr la efectiva eliminación de contaminantes. Esto es una ventaja muy atractiva para áreas densamente pobladas, donde es particularmente la compacidad de la instalación de tratamiento en cuestión. Para aplicación a gran escala, una combinación del sistema ElectroflotaciónElectrocoagulación como se muestra en la Figura 10. Puede ser considerado. El sistema es simple en la configuración. Más importante, la recogida de escoria resulta fácil debido a la conexión directa de la Electrocoagulación y la Electroflotación en la parte superior. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la Electrocoagulación a favor de la corriente generalmente no es tan eficaz como la Electrocoagulación contra corriente. Por lo tanto, un ligero aumento en la carga probablemente se requiera.
Figura 8. Combinación Electrocoagulación.electroflotación
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Figura 9. Alternativa de combinación Electrocoagulación.electroflotación
5. AGUA Y AGUAS RESIDUALES TRATADAS POR ELECTROFLOTACIÓN La Electroflotacion es una operación que consiste en generar pequeñas burbujas de gas (aire), que se asociarán a las partículas presentes en el agua y serán elevadas hasta la superficie, de donde son arrastradas y sacadas del sistema. Obviamente, esta forma de eliminar materia en suspensión será adecuada en los casos en los que las partículas tengan una densidad inferior o muy parecida a la del agua, así como en el caso de emulsiones, es decir, una dispersión de gotas de un liquido inmiscible, como en el caso de aceites y grasas. En este caso las burbujas de aire ayudan a “flotar” más rápidamente estas gotas, dado que generalmente la densidad de
estos líquidos es menor que la del agua. En esta operación hay un parámetro importante a la hora del diseño: La relación aire/sólidos, ml/L de aire liberados en el sistema por cada mg/L de concentración de sólidos en suspensión contenidos en el agua a tratar. Es un dato a determinar experimentalmente y suele tener un valor óptimo comprendido entre 0.005 y 0.06. En el tratamiento de aguas se utiliza aire como agente de flotación, y en función de cómo se introduzca en el líquido.
Figura 10. Tratamiento de aguas residuales por Electroflotación
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6. CONCLUSIONES Como conclusión, puede señalarse que los procesos de Electroflotación es una opción tecnológicamente válida para el tratamiento de aguas residuales y puede utilizarse para la depuración de efluentes contaminados tanto por productos inorgánicos como orgánicos. La electrolisis se puede utilizar para el tratamiento de efluentes acuosos contaminados con bajas cargas orgánicas, generadas por materia orgánica biorrefractaria y/o tóxica. 7. BIBLIOGRAFIA
XUEMING, Chen; GUAHUA, Chen. “Electrochemistry for the Enviroment”. Editorial Springer. 2010. Hong Kong. Pág.: 263 – 275.
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