INGENIERÍA MECATRÓNICA TALL TALLER ER DE IN INVE VEST STIG IGA ACI N II UNIDAD III
ELECTROCOAGULACIÓN COMO TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
PRESENTA: GASTÓN ALEJANDRO GARCIA SOTO MANUEL IRIGOYEN RENTERIA JESSICA GIOVANA RÁBAGO CRUZ
11041107 11041120 11041139
GRUPO: 6º U TITULAR: ING. MIGUEL ÁNGEL AGUILAR ARAGÓN
VICTORIA DE DURANGO, DGO., A 02 DE JUNIO DE 2014
CONTENIDO ÍNDICE DE ILUSTRACIONES ....................................................................................................... 3 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 4 1.1
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 4
1.2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................................................... 5
1.3
JUSTIFICACIÓN .............................................................................................................. 6
1.4
OBJETIVOS ...................................................................................................................... 7
1.4.1
Objetivo general ...................................................................................................... 7
1.4.2
Objetivos específicos ............................................................................................ 7
1.5
HIPÓTESIS ....................................................................................................................... 8
1.6 ALCANCES Y LIMITACIONES .......................................................................................... 9 1.6.1 ALCANCES ..................................................................................................................... 9 1.6.2 LIMITACIONES LIMITACIONES .............................................................................................................. 9 CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 10 2.1 NECESIDAD DEL AGUA EN EL HUMANO ................................................................... 10 2.2
PROBLEMAS DE AGUA EN DURANGO ................................................................. 11
2.2.1Sequias ........................................................................................................................... 11 2.2.2 Escases de agua ......................................................................................................... 11 2.3 ANTECEDENTES ANTECEDENTES HISTÓRICOS ...................................................................................... 12 2.4 ELECTROCOAGULACIÓN ELECTROCOAGULACIÓN ............................................................................................... 14 2.4.1 Fundamentos teóricos .............................................................................................. 15 2.5 ASPECTOS TÉCNICOS .................................................................................................... 16 2.5.1 El reactor para la electrocoagulación ................................................................... 16 2.6 MECANISMOS Y REACCIONES ..................................................................................... 19 2.6.1 Proceso de electrocoagulación .............................................................................. 19 2.7 FACTORES QUE AFECTAN LA ELECTROCOAGULACIÓN .................................... 21 2.7.1 pH. .................................................................................................................................. 21 2.7.2 Densidad de corriente. .............................................................................................. 22 2.7.3 La eficiencia en la remoción y el consumo de energía. ................................... 22 Página | 1
CONTENIDO ÍNDICE DE ILUSTRACIONES ....................................................................................................... 3 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 4 1.1
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 4
1.2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................................................... 5
1.3
JUSTIFICACIÓN .............................................................................................................. 6
1.4
OBJETIVOS ...................................................................................................................... 7
1.4.1
Objetivo general ...................................................................................................... 7
1.4.2
Objetivos específicos ............................................................................................ 7
1.5
HIPÓTESIS ....................................................................................................................... 8
1.6 ALCANCES Y LIMITACIONES .......................................................................................... 9 1.6.1 ALCANCES ..................................................................................................................... 9 1.6.2 LIMITACIONES LIMITACIONES .............................................................................................................. 9 CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 10 2.1 NECESIDAD DEL AGUA EN EL HUMANO ................................................................... 10 2.2
PROBLEMAS DE AGUA EN DURANGO ................................................................. 11
2.2.1Sequias ........................................................................................................................... 11 2.2.2 Escases de agua ......................................................................................................... 11 2.3 ANTECEDENTES ANTECEDENTES HISTÓRICOS ...................................................................................... 12 2.4 ELECTROCOAGULACIÓN ELECTROCOAGULACIÓN ............................................................................................... 14 2.4.1 Fundamentos teóricos .............................................................................................. 15 2.5 ASPECTOS TÉCNICOS .................................................................................................... 16 2.5.1 El reactor para la electrocoagulación ................................................................... 16 2.6 MECANISMOS Y REACCIONES ..................................................................................... 19 2.6.1 Proceso de electrocoagulación .............................................................................. 19 2.7 FACTORES QUE AFECTAN LA ELECTROCOAGULACIÓN .................................... 21 2.7.1 pH. .................................................................................................................................. 21 2.7.2 Densidad de corriente. .............................................................................................. 22 2.7.3 La eficiencia en la remoción y el consumo de energía. ................................... 22 Página | 1
2.7.4 El suministro de corriente al sistema. .................................................................. 23 2.7.5 La energía eléctrica. .................................................................................................. 23 2.7.6 Conductividad. ............................................................................................................ 23 2.7.7 Temperatura................................................................................................................. 24 2.8 VENTAJAS Y DESVENTAJAS ........................................................................................ 26 2.8.1 Ventajas ........................................................................................................................ 26 2.8.2 Desventajas.................................................................................................................. 27 2.9 ASPECTOS INNOVADORES DE LA TECNOLOGÍA.................................. ................. .................................. ................. 27 2.10 SECTORES DE APLICACIÓN APLICACIÓN ....................................................................................... 28 2.11 ELECTROCOAGULACIÓN VS TRATAMIENTO BIOLÓGICO Y QUÍMICO .......... 28 CAPÍTULO 3. METODOLGIA DE LA INVESTIGACION ........................................................ 30 3.1 NIVEL DE LA INVESTIGACIÓN ....................................................................................... 30 3.2 TIPO DE INVESTIGACIÓN INVESTIGACIÓN................................................................................................ 30 3.3 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN INVESTIGACIÓN ................................................................................... 30 3.4 RECOLECCIÓN DE DATOS ............................................................................................. 31 3.6 ELABORACIÓN DEL PROTOTIPO ................................................................................. 31 CAPÍTULO 4. RESULTADOS ..................................................................................................... 33 4.1 ELABORACIÓN DE PROTOTIPO ................................................................................... 33 4.2 PRESUPUESTO Y RESULTADOS DE CONSTRUCCIÓN CONSTRUCCIÓN ......................................... 34 CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES ................................................................................................. 35 CAPÍTULO 6. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 36
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ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Reactores para electrocoagulación tipo bach …………………….…17
Ilustración 2. Reactor tipo filtra prensa …………………………………………....…17
Ilustración 3. Reactor de electrodo cilíndrico-rotativo ……………………….……..18
Ilustración 4. Reactor de lecho fluidizado …………………………………………...18
Ilustración 5. Tipos de reactores en la electrolisis ………………………...………..25
Ilustración 6. Resultado de prototipo…………………………………………………33
Ilustración 7. Resultado de prototipo ………………………………………………….34
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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 1.1 INTRODUCCIÓN Con el título “La electrocoagulación como tratamiento de aguas residuales” se
pretende presentar al lector una posible alternativa para alcanzar el objetivo de intentar abatir los problemas de agua desperdiciada sin posible reutilización y sin una esperanza de reciclar. Partiendo desde la idea i necesidad que nos dejan eventos como las sequias que, en nuestro estado, llevan un poco más de tres años y el inminente agotamiento de la misma. Esto a través de un análisis del proceso en sí, además de la implementación de un prototipo a escala que permita corroborar los resultados de pasadas investigaciones respeto del mismo tema. A partir de esta investigación se desea poder tener una alternativa tecnológica para el tratamiento de las aguas residuales. Siendo que el reúso y la recirculación son operaciones que hacen parte de las estrategias de manejo de agua. Sin embargo es indispensable realizar tratamientos a las aguas residuales. En este caso por medio de la electrocoagulación, haciéndola destacar como una técnica en la que su purificación permite su reciclaje. Conociendo los niveles de factibilidad de esta alternativa como son la reducción de contaminación, equipos y operación así como el proceso. Durante la presente investigación se indaga en el conocimiento del procedimiento de la electrocoagulación, las ventajas y desventajas de su implementación y los aspectos técnicos que el proceso en sí conlleva. En la parte ultima de esta investigación, se presenta el resultado del desarrollo de un prototipo para el tratamiento de aguas residuales por medio de la electrocoagulación así como las conclusiones que arroja el proyecto de investigación, en donde, se determina si se alcanzaron los objetivos preestablecidos; el cómo y el porqué de los mismos.
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1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Durango acaba de atravesar por un periodo de sequía que duro casi 3 años, durante ese periodo se presentaron grandes pérdidas para el estado. Según un informe presentado por el titular de SAGARPA, Francisco Javier Mayorga Castañeda el día 20 de febrero de 2012; las perdidas por la sequía en México ya sumaban los 12 000 millones de pesos, derivado de la descapitalización del campo y de la producción del mismo.
De los cuales según Marcos Olvera,
especialista en análisis de prospección económica, estima que 3 mil 500 millones de pesos corresponden al estado de Durango. Lo anterior, más la preocupación respecto de la escases del agua que impera en todo el planeta desde la década de los 90, nos exhorta a trabajar en la búsqueda de alternativas y planes de acción para además de cuidar este recurso no renovable, a implementar actividades que nos permita tratarlas para lograr aprovechar más de una vez este recurso de la vida.
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1.3 JUSTIFICACIÓN La necesidad actual de proveer agua para una creciente población, las grandes sequias que nos invaden a lo largo de las temporadas de primavera, extendiéndose a las de verano, hacen que las demandas de agua potable, de aguas de riego, y aguas para la industria sean insuficientes. De tal manera se considera importante analizar diferentes tecnologías como la electrocoagulación, que permitan la protección, conservación, y recuperación del recurso hídrico.
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1.4 OBJETIVOS 1.4.1 Objetivo general Conocer el funcionamiento y ventajas que se presentan en el tratamiento de aguas residuales mediante la electrocoagulación.
1.4.2 Objetivos específicos Conocer el funcionamiento de la electrocoagulación en las aguas
residuales.
Determinar mediante la investigación teórica y la implementación del prototipo de la electrocoagulación las ventajas y desventajas de la electrocoagulación.
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1.5 HIPÓTESIS La electrocoagulación es un proceso de tratamiento de aguas residuales de bajo costo pero con un alto impacto en la búsqueda de reciclar el líquido vital para la existencia del ser humano y el desarrollo de las sociedades. Además, de presentarse como una oportunidad para una posible campaña de concientización de las empresas y los órganos gubernamentales para que se le dé el tratamiento necesario al agua.
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1.6 ALCANCES Y LIMITACIONES 1.6.1 ALCANCES Identificar la factibilidad de instalar en las empresas y órganos gubernamentales de nuestra ciudad plantas de tratamiento de aguas residuales por medio de la electrocoagulación, mediante el desarrollo a escala del prototipo del proceso mencionado. Para determinar qué tipo de residuos se pueden extraer de las aguas a tratar y por ende conocer que tan factible es su desarrollo y las ventajas respecto de los costos de instalación que genere.
1.6.2 LIMITACIONES Dentro de nuestra investigación las limitantes características que a las que nos enfrentamos fueron:
Tiempo: debido a que todo proceso de investigación, con el fin de obtener los resultados deseados y lograr analizar a fondo para lograr los objetivos preestablecidos, se requiere una inversión cuantiosa de tiempo.
Economía: el tema económico para el desarrollo de nuestro prototipo, conllevo a que se desarrollara el mismo a pequeña escala, ya que como es una investigación de índole académica no es posible conseguir recursos dentro de empresas o administración pública.
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CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 2.1 NECESIDAD DEL AGUA EN EL HUMANO La importancia del agua para la vida en la Tierra se debe principalmente a que es el componente mayoritario en la estructura de seres vivos, esencial para su metabolismo, es el vehículo de transporte de los elementos nutritivos, es básico para mantener la turgencia de las células y participa en todos los procesos y reacciones químicas. Por otra parte, regula la temperatura ambiental del Planeta y es un factor social que ha condicionado el desarrollo de las diferentes civilizaciones, siendo actualmente un recurso económico fundamental.
En las últimas décadas, además, se ha generado una preocupación internacional creciente por la escasez de este recurso en determinadas zonas del planeta, ya que el incremento de la población tiene un efecto directo sobre su demanda, y cada vez cuesta más hacerla llegar donde se necesita. La escasez de agua implica una menor producción de alimentos y un freno en el desarrollo industrial, factores que serían detonadores de una crisis mundial cuyas consecuencias afectarían, sobre todo, a los países en desarrollo. Es en la década de 1990 cuando numerosos expertos comienzan a dar la alarma acerca del inadecuado manejo de los limitados recursos hídricos, despertando la conciencia de los diferentes sectores involucrados, lo que lleva a la celebración de diferentes encuentros internacionales para revisar la situación. La Asamblea de Naciones Unidas, a través del Consejo Mundial del Agua realiza periódicamente encuentros (se han celebrado ya cuatro Foros Mundiales del Agua, el IV en marzo de 2006 en México) para aumentar la toma de conciencia y adoptar medidas para proteger y gestionar mejor este recurso natural vital.
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2.2 PROBLEMAS DE AGUA EN DURANGO 2.2.1Sequias La sequía es la ausencia en la que la disponibilidad de agua se sitúa por debajo de los requerimientos estadísticos de un área geográfica dada. Y donde el agua no es suficiente para abastecer las necesidades de las plantas, los animales y los humanos. En la agricultura la falta de agua de manera prolongada provoca la falta de desarrollo de los cultivos. Esto se ve agravado por el tipo de cultivo y con grandes necesidades hídricas. [En Durango ya son 22 meses de sequía. Por segundo año consecutivo no hubo cosechas. No hay maíz ni frijol para el autoconsumo. La desnutrición infantil ha aumentado hasta en un 50 por ciento. Comunidades indígenas, son las más afectadas. (Fuente. Noticieros Televisa 08 de julio de 2012).]
2.2.2 Escases de agua Es difícil establecer generalizaciones acerca del agua. Aunque se puede afirmar que el agua es uno de los recursos más abundantes de la Tierra, pero no es así, ya que en la actualidad se ha presentado mayor escases de ésta por el abuso inmoderado. La agricultura es en gran parte responsable del agotamiento del agua disponible y de 70% de su contaminación. Las grandes plantaciones del mundo consumen agua a un ritmo insostenible, debido a que consume cerca del 80% del agua disponible en un país, y que desperdicia casi las dos terceras partes”.
[En Durango ya son más de 126 poblaciones las que reportan de desbasto de agua para consumo humano. Habitantes del campo del estado de Durango, caminan varios kilómetros para conseguir el líquido vital, no solo para consumo humano, también para su ganado. (FUENTE: Noticiero Gala TV 13 de marzo de 2013)]. Página | 11
2.3 ANTECEDENTES HISTÓRICOS La electrocoagulación ha sido una tecnología emergente desde 1906 con la primera patente concedida en Estados Unidos. 13 Con el tiempo se presentaron problemas de tipo financiero o de regulación de incentivos para que la industria adoptara esta técnica, pero son conocidos desarrollos anteriores. Desde el siglo XIX, en 1888, se efectúo el primer ensayo reportado en Londres por Webster, este proceso utilizaba ánodos de hierro soluble, proceso que fue investigado luego en otras localidades de Inglaterra. La caída de potencial entre los electrodos distantes una pulgada entre sí fue de 1.8 vatios y la corriente anódica de 0.6 Amp/pie2. Cinco años más tarde, Wolff electrolizó una solución concentrada de sal para producir cloro y sosa cáustica que utilizaba para esterilizar aguas negras en Brewster, NY. En 1896 se usó en Lousville, Kentucky, una modificación del proceso de Webster para coagular agua cenagosa del río Ohio, proceso en el que se utilizó ánodos de hierro y aluminio, los cuales fueron efectivos en coagular el agua, pero sin una reducción importante en el oxígeno consumido. Webster en 1908 el proceso se utilizó en Santa Mónica con reducciones de 40% de materia orgánica. Bull en 1911 electrolizó una salmuera con ánodo de grafito interponiendo una membrana de asbesto entre los electrodos. Una modificación del proceso Webster -llamado Landreth- se utilizó en 1914 en Nueva York, en éste se añade cal para mejorar la conductividad del electrolito. En 1930 este proceso dejó de tener interés para la industria aunque como hecho aislado fue utilizado en 1932, en Alemania, con eficiencia del 50% en reducción de la DBO de aguas residuales. La falla de estos procesos se debió al alto costo de energía y a la necesidad de recambiar los electrodos. En 1947, en URSS, se utilizó el proceso con electrodos de hierro, obteniendo remociones de 70-80% de DBO.
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Unos años más tarde, en 1958, el profesor Mendía de la Universidad de Nápoles utilizó esta técnica para desinfectar las aguas negras de ciudades costeras. En este proceso se mezcló 25-30% en volumen de agua de mar antes de la electrólisis. En Noruega se combinaba 20% de agua de mar con las aguas residuales en la electrólisis para la remoción de fosfato utilizando electrodos de carbón. Aunque la eficiencia del proceso fue buena hubo problemas de corrosión. Se han reportado trabajos en URSS en donde se utilizó el proceso para remover partículas dispersas de aceite, grasa y petróleo5. En 1971, en Vancouver del Norte, se utilizaron ánodos de aluminio para disolverlos y coagular aguas negras. Este proceso operó a un costo ligeramente inferior al requerido con alumbre.
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2.4 ELECTROCOAGULACIÓN La electrocoagulación es un método alternativo para la depuración de aguas residuales. Consiste en un proceso de desestabilización de los contaminantes del agua ya estén en suspensión, emulsionados o disueltos, mediante la acción de corriente eléctrica directa de bajo voltaje y por la acción de electrodos metálicos de sacrificio, normalmente aluminio/hierro. Se trata de un equipo compacto que opera en continuo, mediante un reactor de especial diseño donde se hallan las placas o electrodos metálicos para producir la electrocoagulación. En este proceso se genera una elevada carga de cationes que desestabilizan los contaminantes del agua residual, se forman hidróxidos complejos, estos tienen capacidad de adsorción produciendo agregados (flóculos) con los contaminantes. De otro lado, por la acción del gas formado se genera turbulencia y se empuja hacia la superficie los flóculos producidos. Otro fenómeno beneficioso del proceso de electrocoagulación es la oxidación química que permite oxidar los metales y contaminante a especies no tóxicas y degradar la DQO/DBO de forma sustancial. Tras el proceso de electrocoagulación se obtiene un desecho en forma acuosa compuesto por especies químicas de hierro ligadas a arsénico. Este residuo debe de ser tratado, mediante otras técnicas convencionales, para separar la mayor parte de agua posible y obtener un subproducto con el menor volumen posible y fácil de gestionar. La electrocoagulación es una operación sencilla que requiere de equipos relativamente simples, ya que los flocs formados por electrocoagulación contienen poca agua superficial, son ácido-resistentes y son más estables, por lo que pueden ser separados más fácilmente por filtración. Por otra parte, se trata de una tecnología de bajo coste y que necesita poca inversión en mantenimiento.
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Además de ser una técnica para el tratamiento de aguas residuales, la electrocoagulación también resultar ser un proceso muy interesante para ser aplicado previamente a una ósmosis inversa, ya que facilita el proceso de desalinización del agua a tratar.
2.4.1 Fundamentos teóricos El fundamento teórico de la electrocoagulación, consiste en:
Separación rápida de coloides del electrodo, evitando que se ensucie. (Limpieza) Arrastre de coloides desestabilizados a la superficie formando una nata, posibilitando no sólo una extracción por sedimentación clásica, sino también, por flotación. (Elección de extracción)
Debido a las burbujas de gas se producen corrientes ascendentes y descendentes de la solución ocasionando una mejor superficie de contacto, provocando así un aumento en la eficiencia de desestabilización. Esta agitación "espontánea" evita la agitación "mecánica". (No necesita agitación externa)
La remoción alcanzada de grasas y aceites en el agua residual estudiada es muy significativa, confirmando el poder de la corriente eléctrica de desestabilizar el equilibrio eléctrico que presentan grasas y emulsiones, provocando su precipitación.
Mediante los resultados se puede observar en concordancia una reducción en la Demanda Química de Oxígeno (DQO). Los volúmenes de agua y tiempos de tratamiento empleados no registraron variación de la temperatura atendiendo a los bajos voltajes aplicados.
La remoción lograda de suspensiones y emulsiones, la electrocoagulación, es altamente eficiente en la destrucción de materia orgánica y en la remoción del material contaminante de las aguas residuales. Página | 15
La electrocoagulación es un tratamiento eficiente para la remoción de contaminantes en aguas residuales, ya que se logra una remoción considerable en solo 15 minutos usando una corriente de 0.07 A y 2.7 V.
El tratamiento de electrocoagulación puede ser considerado como una alternativa de tratamiento para aguas residuales de industrias como la de Gelatina como se observa en nuestro trabajo de investigación pues permite eliminar contaminantes con un poco de voltaje lo que a comparación de otros métodos convencionales es muy económico, además que incluso es más eficiente.
2.5 ASPECTOS TÉCNICOS 2.5.1 El reactor para la electrocoagulación El reactor utilizado para realizar la electrocoagulación en una operación por batch, en su forma más simple, está formado por una celda electroquímica con un ánodo y un cátodo dispuestos en forma vertical y conectada a una fuente de energía externa. El material anódico se corroe eléctricamente debido a la oxidación, mientras que el cátodo permanece pasivo. El diseño formado por un par de electrodos no es el más adecuado a la hora del proceso ya que para obtener una rata adecuada de disolución del metal se requiere de electrodos de gran área superficial, es por esta razón que se utilizan celdas con electrodos mono polares en paralelo o conectados en serie. El sistema para la electrocoagulación requiere de una fuente de corriente directa, un regulador de densidad de corriente y de un multímetro para leer los valores de corriente. En la figura se muestran dos reactores para electrocoagulación con electrodos en paralelo.
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Ilustración 1. Reactores para electrocoagulación tipo bach: a) Reactor con electrodos monopolares conectados en paralelo, b) Reactor con electrodos monopolares conectados en serie
Existen otros tipos de reactores para la electrocoagulación, uno de los más populares es el tipo filtro prensa, está formado por una unidad de cobertura en forma de caja con un ánodo, un cátodo y una membrana como se muestra en la figura. Este sistema hace que su operación y mantenimiento sea relativamente simple.
Ilustración 2. Reactor tipo filtra prensa.
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Para la remoción de metales se usa el reactor de electrodo cilíndrico rotativo en el cual el cátodo gira en el centro de la celda y el ánodo se encuentra fijo como se muestra en la Figura 3. Esta disposición permite aumentar la transferencia de masa en los electrodos y remover partículas de metal del cátodo. Finalmente, también es usado para la remoción de metales, un reactor de lecho fluidizado mostrado en la siguiente figura 4. Este permite aumentar el área específica superficial mejorando la eficiencia del proceso.
Ilustración 3. Reactor de electrodo cilíndrico-rotativo.
Ilustración 4. Reactor de lecho fluidizado. Página | 18
Los materiales usados en el ánodo deben ser dimensionalmente estables, tales como el acero que se utiliza en los reactores para la recuperación de metales, los electrodos más modernos son fabricados de titanio con una pequeña capa de óxidos de metales nobles. Sin embargo, el material más comúnmente utilizado es el aluminio. El cátodo puede ser de metal, grafito, fibras de carbón, acero o titanio.
2.6 MECANISMOS Y REACCIONES 2.6.1 Proceso de electrocoagulación Durante la electrólisis ocurren una serie de procesos físicos y químicos que permiten la remoción de los contaminantes. Estos procesos se pueden describir de la siguiente manera: En los electrodos ocurren una serie de reacciones que proporcionan iones tanto positivos como negativos. El ánodo provee iones metálicos. A este electrodo se le conoce como electrodo de sacrificio, ya que la placa metálica que lo conforma se disuelve, mientras la placa que forma el cátodo permanece sin disolverse. Los iones producidos cumplen la función de desestabilizar las cargas que poseen las partículas contaminantes presentes en el agua. Cuando estas cargas se han neutralizado
los sistemas que
mantienen
las
partículas
en
suspensión
desaparecen, permitiendo la formación de agregados de los contaminantes e iniciando así el proceso de coagulación. Los iones que proveen los electrodos desencadenan un proceso de eliminación de contaminantes que se puede dar por dos vías: la primera por reacciones químicas y precipitación y la segunda procesos físicos de agregación de coloides, que dependiendo de su densidad pueden flotar o precipitar. Página | 19
Las reacciones más importantes que pueden sufrir las partículas de contaminantes son: hidrólisis, electrólisis, reacciones de ionización y formación de radicales libres. Estas reacciones cambian las propiedades del sistema agua- contaminantes, que conlleva a la eliminación de la carga contaminante del agua. De acuerdo con la ley de Faraday, que rige el proceso de electrocoagulación, la cantidad de sustancias formadas en un electrodo es proporcional a la cantidad de cargas que pasan a través del sistema, y el número total de moles de sustancia formada en un electrodo está relacionado estequiométricamente con la cantidad de electricidad puesta en el sistema. A diferencia de la coagulación química, proceso en el cual el coagulante es adicionado al sistema como agente químico, en la electrocoagulación el coagulante es formado in situ mediante las reacciones dadas por la disolución de iones del metal que conforma el electrodo de sacrificio. Como se explicó anteriormente, la producción de iones metálicos se da en el ánodo y son los iones que, por oxidación electrolítica, dan origen a la sustancia química que hace las veces de coagulante. Según es expuesto por Mohllah, se considera que en el proceso de electrocoagulación intervienen tres etapas: inicialmente se forma el coagulante por oxidación electrolítica del metal del ánodo, luego se da la desestabilización de los contaminantes y emulsiones y, finalmente, se produce la formación de flósculos por agregación de partículas del contaminante o adsorción de éstas en el coagulante. Reacciones
involucradas
en
la
electrocoagulación: Los
materiales
más
comúnmente utilizados como electrodos en la electrocoagulación son hierro y aluminio. Por esta razón se tratarán de manera especial las reacciones que se desarrollan manteniendo electrodos de estos dos metales en la celda. La bibliografía referenciada trata ampliamente estas reacciones, no sólo para hierro y aluminio, sino también aquellas reacciones que ocurren cuando los electrodos son de otros metales o materiales. Página | 20
El proceso de electrocoagulación es afectado por diferentes factores. Entre los más
importantes
se
encuentran
la naturaleza y
concentración
de
los
contaminantes, el pH del agua residual y la conductividad. Estos factores determinan y controlan las reacciones ocurridas en el sistema y la formación del coagulante. Para el caso en el cual el hierro actúa como ánodo, se han propuesto dos mecanismos que explican la formación in situ de dos posibles coagulantes. Estos pueden ser hidróxido ferroso Fe (OH)2 o hidróxido férrico Fe (OH)3.
2.7 FACTORES QUE AFECTAN LA ELECTROCOAGULACIÓN Son muchos los factores que intervienen en el proceso de electrocoagulación y algunos de estos factores tienen mayor influencia sobre el proceso. A continuación discutiremos aquellos que se relacionan más directamente con la efectividad del mismo.
2.7.1 pH. El pH influye sobre la eficiencia de la corriente en el proceso de solubilidad del metal para formar hidróxido. Se ha observado en diferentes investigaciones que el pH varía durante el proceso de electrocoagulación y esta variación es dependiente del material de los electrodos y del pH inicial del agua a tratar. El pH durante el proceso puede incrementarse para aguas residuales ácidas, efecto atribuido a la generación de hidrógeno molecular que se origina en el cátodo. En contraposición, en aguas residuales alcalinas el pH puede decrecer y, dependiendo de la naturaleza del contaminante, el pH influye sobre la eficiencia del proceso. Página | 21
Se ha determinado en algunos casos que la mayor eficiencia en la remoción de un contaminante se da dentro de un rango específico de pH, e incluso este rango puede ser amplio. En términos generales las mejores remociones se han obtenido para valores de pH cercanos a 7. Ejemplos de esta situación se pueden ver en la remoción de arsénico en aguas de consumo, donde el mayor porcentaje de remoción de arsénico se da en pH entre 6 y 8, y las mejores remociones de turbiedad y DQO en las aguas de la industria textil se dan en un pH de 7. Las reacciones que se dan durante el proceso de electrocoagulación le dan al medio acuoso capacidad buffer. Especialmente en aguas residuales alcalinas, esta propiedad previene grandes cambios de pH, con lo cual son menores las dosificaciones de sustancias químicas para regular el pH.
2.7.2 Densidad de corriente. Como las variables eléctricas en el proceso de electrocoagulación son los parámetros que más influyen en la remoción del contaminante de un agua residual y están ligados a factores económicos, se debe prestar mayor atención a su estudio.
2.7.3 La eficiencia en la remoción y el consumo de energía. Se incrementan con el aumento en la densidad de corriente. Para algunas conductividades del medio acuoso el consumo de energía se incrementa proporcionalmente con los aumentos de conductividad, lo que conlleva a un consumo mayor de energía. Para altos consumos de energía se presentan pérdidas por la transformación de energía eléctrica en calórica, produciéndose un aumento en la temperatura del medio acuoso.
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2.7.4 El suministro de corriente al sistema. De electrocoagulación determina la cantidad de iones de aluminio Al +3 o hierros Fe +2, liberados por los respectivos electrodos. En general un aumento de la densidad de corriente genera un aumento en la remoción de contaminante. Una densidad de corriente demasiado grande produciría una disminución significativa en la eficacia. La selección de la densidad de corriente podría realizarse teniendo en cuenta otros parámetros de operación, como pH y temperatura.
2.7.5 La energía eléctrica. Que se suministra a la celda electroquímica puede ser mediante corriente alterna (CA) o bien como corriente directa (CD). Las características propias del paso de cada una de las corrientes a través del medio acuoso generan diferentes respuestas electroquímicas entre las placas y el agua residual tratada. Cuando se suministra corriente directa se produce en el cátodo una impermeabilización, lo que causa una menor eficiencia en la remoción.
2.7.6 Conductividad. Un incremento en la conductividad eléctrica genera a su vez un incremento en la densidad de corriente. Cuando se mantiene constante el voltaje alimentado a la celda de electrocoagulación y adicionalmente el incremento de la conductividad, manteniendo la densidad de corriente constante, se produce una disminución del voltaje aplicado. La adición de algunos electrólitos tales como NaCl o CaCl2 genera un aumento en la conductividad del agua residual. Además se ha encontrado que los iones de Página | 23
cloruro pueden reducir los efectos adversos de iones como HCO3 - y SO4 =, pues la presencia de iones carbonatos o sulfatos pueden conducir a la precipitación de Ca+2 y Mg+2 produciendo una capa insoluble depositada sobre los electrodos que aumentaría el potencial entre éstos, decreciendo así la eficiencia de la corriente. Se recomienda, sin embargo, que para un proceso de electrocoagulación normal se mantengan cantidades de Cl- alrededor del 20%.
2.7.7 Temperatura. Los efectos de la temperatura sobre la electrocoagulación no han sido muy investigados, pero se ha encontrado que la eficiencia en la corriente se incrementa inicialmente hasta llegar a 60º C, punto donde se hace máxima para luego decrecer. El incremento de la eficiencia con la temperatura es atribuida al incremento en la actividad de destrucción de la película de óxido de aluminio de la superficie del electrodo. En la siguiente imagen se muestra a manera de cuadro sinóptico los distintos reactores que intervienen en el proceso de la electrocoagulación.
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Ilustración 5. Tipos de reactores en la electrolisis
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2.8 VENTAJAS Y DESVENTAJAS 2.8.1 Ventajas
Son muchas las ventajas de la electrocoagulación. Entre las más relevantes están:
Los costos de operación son menores comparativamente con los de procesos convencionales usando polímeros
Requiere de equipos simples y de fácil operación.
Elimina requerimientos de almacenamiento y uso de productos químicos.
Genera lodos más compactos y en menor cantidad, lo que involucra menor problemática de disposición de estos lodos.
Produce flósculos más grandes que aquellos formados en la coagulación química y contienen menos agua ligada.
Alta efectividad en la remoción de un amplio rango de contaminantes.
Purifica el agua y permite su reciclaje.
El paso de la corriente eléctrica favorece el movimiento de las partículas de contaminante más pequeñas, incrementando la coagulación.
Reduce la contaminación en los cuerpos de agua.
El agua tratada por electrocoagulación contiene menor cantidad de sólidos disueltos que aquellas tratadas con productos químicos, situación que disminuye los costos de tratamiento de estos efluentes en el caso de ser reusados.
Puede generar aguas potables, incoloras e inodoras.
Los contaminantes son arrastrados por las burbujas a la superficie del agua tratada, donde pueden ser removidos con mayor facilidad.
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2.8.2 Desventajas
Es necesario reponer los electrodos de sacrificio.
Los lodos contienen altas concentraciones de hierro y aluminio,
dependiendo del material del electrodo de sacrificio utilizado.
Puede ser un tratamiento costoso en regiones en las cuales el costo de la energía eléctrica sea alto.
El óxido formado en el ánodo puede, en muchos casos, formar una capa que impide el paso de la corriente eléctrica, disminuyendo de esta forma la eficiencia del proceso.
2.9 ASPECTOS INNOVADORES DE LA TECNOLOGÍA
El reactivo empleado es la electricidad, de bajo coste y disponibilidad inmediata.
El equipamiento requerido es sencillo, automatizable y fácil de operar. Asimismo, no tiene partes móviles, lo que minimiza el coste de mantenimiento.
La electrocoagulación trabaja sin adición de reactivos químicos, lo que evita el problema de tener que neutralizar el exceso de reactivo químico. También se evitan los problemas de stock y almacenamiento.
Con la EC se generan menos lodos que con la coagulación química, lo que disminuye el posterior coste de tratamiento de éstos.
El tratamiento puede ser interrumpido y continuado a voluntad por el simple corte de la corriente eléctrica suministrada a los electrodos.
Las aguas tratadas son incoloras e inodoras.
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2.10 SECTORES DE APLICACIÓN La electrocoagulación puede ser interesante para industrias que generen diferentes tipos de residuos: residuos de la industria agroalimentaria, aceites, pigmentos, partículas en suspensión, residuos químicos y mecánicos de la industria pétrea, materia orgánica, agua tratada con agentes fluorantes, efluentes con detergentes sintéticos, disoluciones que contienen metales pesados o residuos de minería, etc.
2.11 ELECTROCOAGULACIÓN VS TRATAMIENTO BIOLÓGICO Y QUÍMICO El sistema de electrocoagulación aplicado a aguas residuales, en comparación con los sistemas biológicos o químicos convencionales, requiere de una menor resistencia y ésta es de 50 a 60 por ciento menor. Los tiempos de residencia del electro-coagulación son de 10 a 60 segundos, en comparación con los sistemas biológicos que requieren entre 12 y 24 horas. La electrocoagulación consiste en unidades compactas, fáciles de operar, con un consumo de energía y producción de lodo más compacto y menor a los sistemas biológicos o químicos convencionales. Las celdas de electrocoagulación se construyen en FVR y se instalan sobre terreno, por lo que no requieren de obras civiles mayores, como ocurre con los sistemas químicos y biológicos. Los costos de inversión, por lo tanto, son un 50 por ciento menores a los sistemas biológicos. Los consumos de energía eléctrica por metro cúbico de agua tratada de entre 0.1 a 1.0 KWh/m3, son menores a los sistemas de tratamiento convencionales (químicos y biológicos). En el sistema de electrocoagulación no se utilizan productos químicos, son unidades 100 por ciento automáticas y se utilizan cuando Página | 28
se requieren, con tiempos de respuesta de 10 a 60 segundos, en su nivel de eficiencia. La electrocoagulación se puede adaptar a todo tipo de riles y su aplicación es recomendada para la industria minera, galvanoplástica, refinerías y fundiciones, principalmente. La electrocoagulación aplicada a los riles de diferentes industrias. Entre los sectores que se destacan están: agroindustria, pesquero, maderero, industria alimentaria, industria textil e industria ganadera.
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CAPÍTULO 3. METODOLGIA DE LA INVESTIGACION En la realización de esta investigación fue utilizado un enfoque cualitativo.
3.1 NIVEL DE LA INVESTIGACIÓN
De acuerdo con el tema de estudio referido como la factibilidad de electrocoagulación, esta investigación tiene un nivel perceptual ya que implica conocimiento más bien externo y superficial del tema, en aquellos aspectos que son evidentes.
3.2 TIPO DE INVESTIGACIÓN
Esta investigación se realiza con el método descriptivo, ya que este método nos permita especificar propiedades y características del desarrollo del proceso de electrocoagulación. Así como las ventajas y desventajas que la misma investigación nos deja al indagar y armar el prototipo.
3.3 DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
El estudio propuesto se adecuó a los propósitos de la investigación experimental. En función de los objetivos definidos en el presente estudio, donde se planteó el análisis del desarrollo de la electrocoagulación en el proceso de tratamiento de aguas residuales.
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Para la realización de dicha investigación se emplearon una serie de instrumentos y técnicas de recolección de información. Para ello hubo que cumplir con tres etapas, la primera está referida con la delimitación del objeto de estudio y la elaboración del marco teórico, la segunda etapa implica la realización del prototipo experimental y la tercera etapa correspondió a entregar un informe con los resultados que el marco teórico y la realización experimental arrojó.
3.4 RECOLECCIÓN DE DATOS
Para el desarrollo de esta investigación fue necesario utilizar herramientas que permitieron recolectar el mayor número de información necesaria, con el fin de obtener un conocimiento más amplio de la realidad de la problemática. Por naturaleza del estudio se requirió la recopilación documental, que se trata del acopio de los antecedentes relacionados con la investigación. Para tal fin se consultaron documentos escritos, formales e informales, también se usó la observación directa y la entrevista. Para la mejor percepción de nuestros objetivos dentro de la presente investigación, la realización del prototipo para presentar el resultado de la misma fue factor clave porque nos adentró en el desarrollo práctico de nuestro tema.
3.6 ELABORACIÓN DEL PROTOTIPO Para el presente trabajo se realizó un prototipo para mostrar y dejar más en claro como es el tratamiento de aguas residuales por medio de la electrocoagulación.
Selección del tipo de prototipo
Selección de los materiales a utilizar Página | 31
Para realizar este prototipo necesitamos de:
Un recipiente, de preferencia transparente, que fue el que nos sirvió para observar cómo se realizaba el proceso de electrocoagulación.
4 placas de aluminio, en su caso elegimos esta cantidad de placas por el tamaño del recipiente, pudiendo utilizarse más para un proceso más eficiente.
4 placas de acero, dependiendo de la cantidad de placas de aluminio debe haber la misma cantidad de placas de acero.
Una fuente de CD, entre 12 y 20 volts y una corriente de 0.8 A, dependiendo del tamaño del recipiente será la cantidad de voltaje y corriente.
2 tornillos sin fin de aproximadamente el tamaño del recipiente.
8 tuercas
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CAPÍTULO 4. RESULTADOS 4.1 ELABORACIÓN DE PROTOTIPO Para la elaboración de nuestro prototipo se necesita seguir una serie de pasos para un óptimo funcionamiento, siendo las siguientes: 1. Cortar las placas de aluminio y acero del mismo tamaño, un poco más chicas que el tamaño del recipiente. 2. Perforar del lado superior derecho todas las placas. 3. Por medio de un tornillo sin fin y a la misma distancia entre ellas colocar las 4 placas de acero. Mientras que en otro tornillo sin fin colocar las 4 placas de aluminio. 4. Acomodar en el recipiente las 8 placas, quedando intercalas entre sí, pero asegurando que no se toquen entre ellas ni toque el tornillo sin fin opuesto. 5. En el tornillo donde se encuentra el acero colocar el positivo de la fuente, y en el tornillo donde se encuentra el aluminio colocar el negativo.
Ilustración 6. Resultado de prototipo
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4.2 PRESUPUESTO Y RESULTADOS DE CONSTRUCCIÓN
RECURSOS
MATERIALES
PERSONAS
CANTIDAD
COSTO
COSTO
INDIVIDUAL
TOTAL
Recipiente
0.009 m 2
$15.00
$15.00
Aluminio
4 o mas
$6.00
$28.00
Acero/Hierro
4 o mas
$5.00
$20.00
Tuercas
8 o mas
$1.00
$8.00
Tornillo sin fin
1
$10.00
$10.00
TOTAL
$81.00
Ilustración 7. Resultado de prototipo Página | 34
CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES Es evidente que la necesidad como seres humanos para nuestro pleno bienestar está directamente ligada al agua. A su vez nuestro desarrollo, desenvolvimiento y crecimiento como sociedad, estado y país sigue ligado a este recurso no renovable y desafortunadamente mal utilizado. Es por ello que el cuidado de éste no debe ser menospreciado y los intentos para intentar reciclarlo deben ir mejorando y dándosele mayor atención ante el inminente agotamiento. En nuestro estado en particular, la sequía fue un problema severo en los pasados 2 años, teniendo en cuenta todo esto y con base en la investigación, el tratamiento de aguas residuales por medio de la electrocoagulación se presenta como una alternativa factible, de bajo costo y con grandes resultados para alcanzar lo utópico en nuestros días: reciclar el agua. Destacando puntos favorables que se alcanzaron a través de esta investigación: El reactivo empleado es la electricidad, de bajo coste y disponibilidad inmediata, el equipamiento requerido es sencillo, automatizable y fácil de operar, asimismo, no tiene partes móviles, lo que minimiza el coste de mantenimiento y la electrocoagulación trabaja sin adición de reactivos químicos, lo que evita el problema de tener que neutralizar el exceso de reactivo químico. También se evitan los problemas de stock y almacenamiento. A su vez, la implementación del prototipo nos permitió determinar lo fácil, factible y ahorrador que resulta este procedimiento a pequeña escala, por lo que en una empresa u organización gubernamental el desarrollarlo a grande escala no será un inconveniente y los beneficios para sus niveles ecológicos y para la sustentabilidad de nuestro medio ambiente serán magníficos. Concluyendo, las oportunidades para poder reciclar y seguir conservando el agua para las futuras generaciones y desarrollo sustentable de nuestra sociedad está en nuestras manos, como ciudadanos responsables y comprometidos con el planeta nos corresponde optar por las medidas viables y de resultados que nos permitan alcanzar los objetivos, en este caso, se determina que el tratamiento de aguas por medio de la electrocoagulación es una de ellas. Página | 35