Influencia del tiempo y densidad de corriente para la remoción de DBO y turbidez de efluentes de industrtia papelera por electrocoagulación

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(1)Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA. Q uí. m. ica. ESCUELA PROFESIONAL DE INGENEIRÍA AMBIENTAL. Influencia del tiempo y densidad de corriente para. g.. la remoción de DBO y turbidez de efluentes de. de. In. industria papelera por electrocoagulación. TESIS. ca. PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE. Bi bl. io. te. INGENIERO AMBIENTAL. Autores:. Br. Huaman Rodriguez, Aldo Gino. Br. Muñoz Olivera, Melisa. Asesor:. Ms. Segundo Juan Saldaña Saavedra TRUJILLO-PERÚ 2019. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(2) Bi bl. io. te. ca. de. In. g.. Q uí. m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(3) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. DEDICATORIA. A Dios, por haberme dado las fuerzas, la paciencia y haberme mantenido con salud para culminar este trabajo con éxito. Porque nunca pierdo la fe en Él.. Huamán. Padilla,. m. Aldo. ica. A mis padres, Ana Rodríguez Salirrosas y por. su. amor. Q uí. incondicional y porque han sabido apoyarme y aconsejarme a lo largo de mi vida y porque sé. de. In. g.. que siempre podré contar con ellos.. Bi bl. io. te. ca. A mi hermana, Annie Huamán Rodríguez, porque es un ejemplo de profesional a seguir para mí y es junto a mis padres, la persona que más amo en mi vida. Siempre seremos los cuatro, hermana. En las buenas y malas.. A mi familia en general, amigos y compañeros de trabajo por su apoyo y preocupación hacia mí hasta el día de hoy.. Br. Aldo Gino Huamán Rodríguez. iii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(4) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. A mi madre Leonor Olivera Heredia por su amor, comprensión, por darme el ejemplo de superación y por su apoyo incondicional en todo momento de mi vida. Un gran ejemplo a seguir, persona trabajadora y luchadora gracias por todo madrecita. A mi padre Clemente Muñoz Flores por su esfuerzo y sacrificio; por su gran amor y sus sabios. ica. consejos, ejemplo de persona trabajadora eres mi gran. Q uí. m. apoyo y eso lo valoro siempre.. A mis hermanos: Cristina, Violeta, María y Heiner por. g.. brindarme sus consejos y motivación para superarme en. In. mi vida profesional, son mi ejemplo de fortaleza.. de. A mi abuelita Paula Flores por su cariño y el amor que. ca. siento por tenerte con vida gracias Dios. A mi tía Elena. Bi bl. io. te. Muñoz por su cariño y consejos. A la memoria de mis abuelitos Teófilo Muñoz, César. Olivera y Robertina Heredia. por el amor y cariño. brindado durante mi infancia y por guiarme e iluminarme desde el cielo. Br. Melisa Muñoz Olivera. iv Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(5) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. AGRADECIMIENTO. Agradecemos al Ms. Juan Saldaña Saavedra, docente de la Universidad Nacional de Trujillo por apoyarnos y por brindarnos su tiempo para concluir satisfactoriamente con dicho proyecto de investigación. Al técnico Pedro Abanto Muñoz del Departamento de Física de la Universidad Nacional de Trujillo por su ayuda en la preparación de los equipos y compartir su. ica. tiempo con nosotros.. m. Un agradecimiento especial al Ing. Manuel Ventura y Ing. Carlos Ocas. Q uí. encargados del área de Seguridad de la empresa Trupal S.A, por habernos. de. In. g.. facilitado las muestras para nuestra investigación.. Bi bl. io. te. Olivera.. ca. Aldo Gino Huamán Rodríguez y Melisa Muñoz. v Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(6) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ÍNDICE Resumen ...................................................................................................................... xiii Abstract........................................................................................................................ xiv I. Introducción............................................................................................................... 15 1.1. Realidad Problemática ........................................................................................ 15 1.2. Antecedentes ....................................................................................................... 16. ica. 1.3. Marco teórico y conceptual ................................................................................. 19. Q uí. m. 1.3.1. Definición de aguas residuales ...................................................................... 19 1.3.1.1. Clasificación de aguas residuales ........................................................... 19. g.. 1.3.1.2. Composición de aguas residuales .......................................................... 19. In. 1.3.2. El agua en la fabricación de papel ................................................................. 20. de. 1.3.2.1. Contaminación del circuito de aguas ..................................................... 21. ca. 1.3.2.2. Definición de la coagulación.................................................................. 22. io. te. 1.3.2.3. Mecanismos de la coagulación .............................................................. 23. Bi bl. 1.3.2.4. Coagulantes utilizados ........................................................................... 25 1.3.3. Electrocoagulación......................................................................................... 25 1.3.3.1. Definición electrocoagulación ............................................................... 25 1.3.3.2. Reacciones y mecanismos involucrados en la electrocoagulación ........ 27 1.3.3.3. Factores que afectan la electrocoagulación ............................................ 31 1.3.3.4. Reactores para la electrocoagulación ..................................................... 33 1.3.3.5. Ventajas y desventajas de la electrocoagulación ................................... 36 1.4. Problema ............................................................................................................. 37 vi Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(7) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.5. Hipótesis .............................................................................................................. 37 1.6. Objetivos ............................................................................................................. 37 II. Materiales y métodos ............................................................................................... 39 2.1. Material de estudio .............................................................................................. 39 2.1.1. Efluente procedente de la máquina papelera.................................................. 39. ica. 2.2. Reactivos y materiales ......................................................................................... 39. m. 2.2.1. Reactivos químicos ........................................................................................ 39. Q uí. 2.2.2. Materiales....................................................................................................... 39 2.2.3. Equipos........................................................................................................... 40. In. g.. 2.3. Métodos ............................................................................................................... 41. de. 2.3.1. Recolección de la muestra del efluente de la máquina papelera.................... 41 2.3.2. Caracterización inicial del efluente de la máquina papelera.......................... 42. ca. 2.3.3. Determinación de la densidad de corriente y el tiempo óptimo para el. io. te. proceso de electrocoagulación ............................................................................ 43. Bi bl. 2.3.4. Procedimiento experimental .......................................................................... 45 2.3.4.1. Preparación de electrodos ...................................................................... 45 2.3.4.2. Celda de electrocoagulación................................................................... 46 2.3.4.3. Proceso de electrocoagulación ............................................................... 46 2.3.4.4. Sedimentación y filtrado del efluente tratado de la máquina papelera .. 47 2.3.4.5. Caracterización final del efluente tratado de la máquina papelera ........ 47 2.3.4.6. Diseño experimental ............................................................................. 48 2.3.4.7. Análisis de datos .................................................................................... 49 vii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(8) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. III. Resultados y discusión ........................................................................................... 50 3.1. Resultados de DBO5 del efluente de la máquina papelera por electrocoagulación.50 3.2. Resultados de turbidez del efluente de la máquina papelera por electrocoagulación. ....................................................................................................... 53 3.3.Resultados del análisis estadístico para el porcentaje de remoción de DBO 5 ...... 57 3.4.Resultados del análisis estadístico para el porcentaje de remoción de turbidez .. 57. ica. IV.Conclusiones ........................................................................................................... 59. Q uí. m. V. Recomendaciones .................................................................................................... 60 VI. Referencias Bibliográficas ..................................................................................... 61. Bi bl. io. te. ca. de. In. g.. Anexos .......................................................................................................................... 65. viii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(9) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Coagulación.................................................................................................... 23 Figura 2. Mecanismos de coagulación formación de coloides ..................................... 24 Figura 3.Interacciones ocurridas en la electrocoagulación ............................................ 27 Figura 4. Reactores para electrocoagulación tipo batch ................................................ 34 Figura 5.Reactor tipo filtra prensa ................................................................................. 35 Figura 6. Reactor de electrodo cilíndrico rotativo ......................................................... 35. ica. Figura 7. Reactor de lecho fluidizado ............................................................................ 36. m. Figura 8. Efluente procedente de la máquina papelera. ................................................. 41. Q uí. Figura 9. Llenado de muestras. ...................................................................................... 42 Figura 10. Diagrama de bloques del procedimiento experimental. ............................... 45. In. g.. Figura 11. Electrodos de fierro (izquierda) y electrodos de aluminio (derecha) .......... 45. de. Figura 12. Celda de electrocoagulación......................................................................... 46 Figura 13. Influencia de densidad de corriente y el tiempo en la remoción de DBO 5. . 51. ca. Figura 14. Porcentaje de remoción de DBO5 a diferentes tiempos y densidades de. te. corriente…. .................................................................................................. 52. Bi bl. io. Figura 15. Influencia de la densidad de corriente y tiempo para los valores promedios finales de turbidez. ......................................................................................... 54. Figura 16.Porcentaje de remoción de turbidez a diferentes tiempos y densidades de corriente después de la electrocoagulación. ................................................... 55 Figura 17. Llenado de muestra para DBO5 Inicial......................................................... 81 Figura 18. Llenado de muestra para DQO. .................................................................... 81 Figura 19. Llenado para medición de TSS. ................................................................... 82 Figura 20. Fuente de poder corriente continua y dos Reóstatos. ................................... 82 Figura 21. Equipo de electrocoagulación. ..................................................................... 83. ix Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(10) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Figura 22. Medición del pH óptimo. ............................................................................. 83 Figura 23. Obtención de pH óptimo. ............................................................................. 84 Figura 24. Llenado de muestra (efluente máquina papelera) ........................................ 84 Figura 25. Regulando la densidad de corriente con los reóstatos para su tratamiento de electrocoagulación. ...................................................................................... 85 Figura 27. Proceso de Electrocoagulación. ................................................................... 86 Figura 28. Filtrado al vacío de muestra tratada. .......................................................... 86. ica. Figura 29. Sedimentación de muestra tratada. .............................................................. 87. m. Figura 30. Frascos de muestra tratada para análisis de DBO5. ...................................... 87. Q uí. Figura 31. Muestra tratada (izquierda) y sin tratar (derecha) ........................................ 88 Figura 32. Medición de turbidez de muestra tratada y sin tratar. .................................. 88. Bi bl. io. te. ca. de. In. g.. Figura 33. Turbidímetro Termo Scientific AQUAfast AQ3010 ................................... 89. x Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(11) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Coordenadas del punto de muestreo del efluente de la máquina papelera ...... 42 Tabla 2. Caracterización inicial del efluente de la máquina papelera ............................ 43 Tabla 3. Matriz de diseño experimental para las variables de estudio de porcentaje de remoción de DBO5 y turbidez presente en efluente de máquina papelera. ...... 48 Tabla 4. Datos promedios de DBO5 (mg/L) del efluente de la máquina papelera después de la electrocoagulación. .................................................................................. 50. ica. Tabla 5. Datos promedios de porcentaje de remoción de DBO5 del efluente de la. m. máquina papelera después de la electrocoagulación. ....................................... 51. Q uí. Tabla 6. Datos promedios de turbidez (NTU) del efluente procedente de la máquina papelera después de la electrocoagulación. ...................................................... 54. In. g.. Tabla 7. Datos promedios del porcentaje de remoción de turbidez del efluente. de. procedente de la máquina papelera después de la electrocoagulación. ........... 55 Tabla 8. Análisis estadístico varianza de los resultados experimentales de DBO 5........ 57. ca. Tabla 9. Análisis estadístico varianza de los resultados experimentales de turbidez. ... 57. te. Tabla 10. Tabla de Varianza para el Análisis Estadístico .............................................. 66. Bi bl. io. Tabla 11. Datos de turbidez (NTU) del efluente procedente de la máquina papelera después de la electrocoagulación. (Ci = 542 NTU.)....................................... 68. Tabla 12. Datos de porcentaje de remoción de turbidez del efluente procedente de la máquina papelera después de la electrocoagulación. ..................................... 69 Tabla 13. Datos de porcentaje de remoción de turbidez para los cálculos estadísticos. 70 Tabla 14. Análisis estadístico varianza de los resultados experimentales de turbidez .. 72 Tabla 15. Datos de DBO5 (mg/L) del efluente tratado procedente de la máquina papelera después de la electrocoagulación. (Ci = 428,80 mg/L).................... 73. xi Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(12) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Tabla 16. Datos de porcentaje de remoción DBO5 del efluente tratado después de la electrocoagulación .......................................................................................... 74 Tabla 17. Datos de porcentaje de remoción de DBO5 para los cálculos estadísticos. . 75 Tabla 18. Análisis estadístico varianza de los resultados experimentales de DBO5 ..... 77 Tabla 19. Instructivo de toma de muestras para análisis ............................................... 78 Tabla 20.Valores referenciales de efluentes para alcantarillado y aguas superficiales de las actividades en curso de los subsectores curtiembre y papel ..................... 79. ica. Tabla 21. Límite máximo permisible de efluente para aguas superficiales de las. Bi bl. io. te. ca. de. In. g.. Q uí. m. actividades de cemento, cerveza, papel .......................................................... 80. xii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(13) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. RESUMEN. La presente investigación estudió la influencia del tiempo y la densidad de corriente para la remoción de Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO5) y turbidez del efluente procedente de la máquina papelera de la empresa papelera TRUPAL S.A, aplicando un tratamiento de electrocoagulación. El proceso se llevó a cabo a diferentes tiempos de tratamiento (40, 60 y 80 min) y diferentes densidad de corriente (5,23; 10,45; 15,66 y. ica. 20,90 mA/cm2). Se utilizó un reactor de material de vidrio tipo batch de 2,6 L de. m. capacidad, así mismo, se utilizaron tres electrodos de hierro como cátodo y tres. Q uí. electrodos de aluminio como ánodo conectados en paralelo a una distancia entre electrodos de 1cm. Se trabajó con un pH establecido de 5 y con un agitador magnético. g.. para evitar la polarización de la muestra durante el tratamiento. De los resultados. In. obtenidos se determinó que el incremento del tiempo y la densidad de corriente. de. influyen significativamente e incrementan el porcentaje de remoción para DBO5 y. ca. turbidez. Ello se puede verificar con el análisis de varianza ANOVA para un nivel de. te. confianza del 95 % donde hubo una mayor remoción de turbidez del 99,35 % a un. io. tiempo de 60 min y una densidad de corriente de 20,90 mA/cm2 así mismo se logró. Bi bl. una remoción de DBO5 del 86,22 % a un tiempo de 80 min y una densidad de corriente de 10,45 mA/cm2 del efluente procedente de la máquina papelera.. Palabras claves: Electrocoagulación, efluente de máquina papelera, DBO5, turbidez, tiempo, densidad de corriente.. xiii Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(14) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ABSTRACT. The present investigation studied the influence of time and current density for the removal of Biochemical Oxygen Demand (BOD5) and turbidity of the effluent from the paper machine of the paper company TRUPAL S.A, applying an electrocoagulation treatment. The process was carried out at different treatment times (40, 60 and 80 min) and different current density (5, 23; 10, 45; 15, 66 and 20, 90 mA/cm2). A 2, 6 L capacity batch. ica. glass material reactor was used, likewise, three iron electrodes were used as cathode and. m. three aluminum electrodes as anode connected in parallel at a distance between electrodes. Q uí. of 1cm. We worked with an established pH of 5 and with a magnetic stirrer to avoid polarization of the sample during the treatment. From the results obtained, it was. g.. determined that the increase in time and current density significantly influence and. In. increase the removal percentage for BOD5 and turbidity. Which can be verified with the. de. ANOVA analysis of variance for a 95 % confidence level where there was a higher 99,35. ca. % turbidity removal at a time of 60 min and a current density of 20,90 mA /cm2 likewise a. te. BOD5 removal of 86,22 % was achieved at a time of 80 min and a current density of 10,45. Bi bl. io. mA / cm2 of the effluent from the paper machine.. Keywords: Electrocoagulation, paper machine effluent, BOD 5, turbidity, time, current densit. xiv Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(15) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. I.. INTRODUCCIÓN. 1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA La industria de papel es una de las principales fuentes de contaminación en el medio ambiente, y es considerada la sexta industria que genera más contaminación. Esto se debe a que dichas industrias emiten en su fabricación una serie de contaminantes. ica. gaseosos, desechos sólidos, efluentes, material particulado, etc. que generan. m. contaminación al agua, aire y además gases que causan el cambio climático, estos a su. Q uí. vez contienen una serie de parámetros físicos y químicos que deben ser tratados, como la DBO5, DQO, sólidos suspendidos totales, cromo total, grado de acidez, etc. (Ugurlu. g.. et al., 2008).. In. Las industrias papeleras consumen grandes volúmenes de agua en su proceso. de. productivo; lo que ha enfocado, en los últimos años, en reducir su consumo y reutilizar. ca. el agua dentro de las fábricas. Por lo que existen fábricas que ya están promoviendo la. te. reutilización de aguas recicladas provenientes de sus propias plantas de tratamiento.. io. Aun así, la industria papelera sigue consumiendo grandes cantidades de agua, situación. Bi bl. que se une a la demanda de agua de alta calidad. (Remtavares, 2008). Ante esta problemática, surge como una alternativa la electrocoagulación, que es una técnica no muy aplicada en las industrias papeleras, dicha técnica tiene como propósito no usar coagulantes químicos, los cuales encarecen sus costos de tratamiento. Además de que la descarga de estas sustancias químicas al ambiente puede causar nuevos problemas.. En la región la Libertad la industria papelera Trupal S.A, consume grandes volúmenes de agua fresca en su proceso productivo, por ello los efluentes emitidos 15 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(16) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. requieren de un tratamiento especializado para evitar la contaminación ambiental y cumplir con la normativa ambiental vigente en el país según el Decreto Supremo N° 003-2002-PRODUCE y de esta forma mejorar el aprovechamiento del agua. Es por ello, que se propone en el presente trabajo de grado, el tratamiento por electrocoagulación para los efluentes industriales proveniente de la máquina papelera de la empresa papelera Trupal S.A. utilizando electrodos de hierro y aluminio, disminuyendo así el uso de diferentes coagulantes químicos, reduciendo los principales. ica. contaminantes y deseando obtener una mejor calidad de agua tratada ya sea para. m. cumplir con la normativa ambiental vigente y ser reutilizada en sus procesos. g.. Q uí. industriales.. In. 1.2. ANTECEDENTES. Bayramoglu et al. (2004), estudiaron “la electrocoagulación como método de. de. tratamiento de aguas residuales”, elaboraron muestras con 3422 ppm DQO, 1112 ppm. ca. de sólidos en suspensión (SS) y 900 ppm de carbón orgánico total; utilizaron una celda. te. tipo batch y emplearon electrodos de aluminio y hierro, y su variable de operación fue el. Bi bl. io. pH. Sus resultados de remoción alcanzados fueron de 61 % en Demanda Química de Oxígeno (DQO), 98 % de turbidez, además de llegar a la conclusión que si utilizamos electrodos de aluminio estos serían más efectivo para medio ácido y los de hierro en medio neutro. Morante, G. (2002), en su investigación titulada “Electrocoagulación de aguas residuales”, emplearon variables de estudio como la densidad de corriente, pH, turbidez y los tipos de electrodos. Utilizaron una densidad de corriente 50 A/m2 para tiempos de 50 minutos y electrodos de aluminio y carbono obteniendo como resultados una remoción del 99,8 % de carga orgánica de sus aguas residuales, además trabajaron con. 16 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(17) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. un pH entre 3-5 concluyendo que al trabajar a estos pH se obtienen mejores porcentajes de remoción. Ojeda et al. (2012), desarrolló un “Estudio comparativo del uso de electrodos de hierro y aluminio en el proceso de electrocoagulación de la vinaza”. Este estudio tuvo como objetivo evaluar las variables del proceso como son densidad de corriente, tiempo de electrólisis y su pH para remover color. Así mismo determinaron que al usar electrodos de aluminio estos consumen menos energía y a la vez son más efectivos para. ica. separar sólidos que los electrodos de hierro. Obtuvieron como resultado de remoción de. m. color un 83,53 % empleando una densidad de corriente de 0,159. A /cm2 con un. Q uí. tiempo de tratamiento de 7 min, utilizando un pH de 4,42.. Othman et al. (2007), en su trabajo realizado sobre “La eliminación de Demanda. In. g.. Bioquímica de Oxígeno y la turbidez para mejorar la calidad de aguas residuales usando. de. la técnica de electrocoagulación”. Los autores en esta investigación utilizaron al pH, la densidad de corriente y el tiempo como sus variables de investigación. Obtuvieron. ca. como resultados una remoción de Demanda Química de Oxígeno (DQO) del 72,28 % en. te. la técnica de electrocoagulación trabajado a una densidad de corriente de 5,62 mA/cm 2,. Bi bl. io. en el caso de la turbidez obtuvieron una remoción de 96,74 % a la misma densidad de corriente, llegando a la conclusión que con el tratamiento de electrocoagulación se obtienen resultados favorables para tratar las aguas residuales. Ugurlu et al. (2008), realizaron un estudio acerca de “La eliminación de lignina y fenol de los efluentes de las fábricas de papel mediante electrocoagulación.” Emplearon un voltaje de 12V y una intensidad de corriente aplicada de 77,13 mA obteniendo como resultados que si utilizamos electrodos de aluminio se obtiene una eliminación de 80 % de lignina, 98 % de fenol, 70 % de DBO5 y 75 % de DQO después de haber pasado un tiempo de tratamiento de 7,5 min y en el caso de los electrodos de hierro obtuvieron una. 17 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(18) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. eliminación de 92 %, 93 %, 80 % y 55 %, respectivamente. También se llegó a la conclusión que los electrodos de aluminio son más eficientes que el electrodo de hierro en la eliminación de lignina y fenol. Sin embargo, el tiempo requerido para la eliminación de DBO5 fue mayor que el de la DQO, llegando a la conclusión que el tratamiento de electrocoagulación podría considerarse como una alternativa eficaz al tratamiento en los efluentes de las industrias de papel. Rahmani, A. (2008), en su trabajo de investigación titulado “La remoción de la. ica. turbidez de agua por el método de electrocoagulación”, en su proceso de. m. electrocoagulación estudiaron a la turbidez, el tiempo y el voltaje como variables para la. Q uí. remoción de su turbidez, emplearon un voltaje de 3V a un tiempo de 40 min, utilizaron electrodos de aluminio, hierro y estaño obteniendo un 93 %, 91 % y 51 % en su. In. g.. remoción de turbidez. Llegaron a la conclusión que al emplear electrodos de aluminio,. por electrocoagulación. de. éstos son más eficientes incrementando así la remoción de turbidez en el tratamiento además para obtener mejores resultados de remoción de. ca. turbidez estos dependerán del tiempo de tratamiento adecuado, el tipo de electrodos que. te. se emplea y la corriente que ingresa al reactor.. planta. Bi bl. io. Barboza, G. (2011), estudió la “Reducción de la carga de las aguas residuales de la de. tratamiento. de. totora. -. Ayacucho. empleando. la. técnica. de. electrocoagulación”. Está investigación se variaron distintas densidades de corriente y tiempos de proceso llegando a la conclusión de 12,5 mA/cm2 permiten obtener 94,63 % de remoción de turbidez de agua trabajando durante 25 min.. 18 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(19) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.3.. MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL. 1.3.1. Definición de aguas residuales Se denominan aguas residuales aquellas cuyas características han sido modificadas por diferentes actividades humanas y que por su calidad necesitan de un tratamiento previo antes de ser vertidas o reusadas a un cuerpo natural o descargadas al alcantarillado (OEFA, 2014).. ica. 1.3.1.1. Clasificación de aguas residuales Según (OEFA, 2014) existen diferentes tipos de denominar a las aguas residuales,. provienen de. Q uí. Aguas residuales industriales,. m. las cuales se detallan a continuación:. los diferentes procesos. g.. productivos que generan dichas empresas industriales tales como agrícolas, energéticas,. In. agroindustrias, curtiembres, pesqueras, papeleras, etc.. de. Aguas residuales municipales, provienen de las aguas residuales domésticas que se encuentran mezcladas con las aguas pluviales (lluvias) y las industriales previamente. ca. tratadas, para ser emitidas en el alcantarillado.. te. Aguas residuales domésticas: provienen de las diferentes actividades de tipo. Bi bl. io. comerciales, doméstico, y de instituciones (colegios, universidades, etc.) que proceden básicamente en los baños, cocinas y también en la lavandería. Aguas residuales pluviales: se originan de las lluvias (escorrentía) que. básicamente discurren desde los techos, jardines, terrenos, asfaltado, entre otros, algunas ingresan al sistema de drenaje y son canalizadas a la red de alcantarillado. 1.3.1.2. Composición de aguas residuales Dichas aguas residuales son estudiadas para medir parámetros físicos, químicos y biológicos entre las mediciones más comunes se encuentran la DBO5, DQO, el pH, los sólidos suspendidos entre otros. Se hace la medición de la DBO5 para comprobar su. 19 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(20) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. carga orgánica que generan las aguas residuales de las industrias, se dice que la “DQO es mayor que la DBO porque muchas sustancias se pueden degradar químicamente pero no biológicamente. Su composición de materia orgánica de estas aguas es 40 % proteínas, 10 % grasas y 50 % carbohidratos, su pH varía entre 6 a 8”. (Constanza, 2008). 1.3.2. El Agua en la fabricación de papel El agua en la fabricación de papel es muy importante porque ayuda a la dispersión. ica. y transporte de sus materias primas y sus aditivos. Son generadas desde la etapa de. m. pulpeo hasta su formación y son utilizadas también para el intercambio de calor, en la. Q uí. producción de vapor, también para el sellado de sus sistemas de vacío. La cantidad de agua que se consume depende de diferentes factores, entre estos tenemos el tipo de fibra. In. g.. que se utiliza como materia prima, el producto fabricado y la tecnología de producción. de. (Urquiaga, 2013).. El sector papelero utiliza el agua en su proceso de fabricación principalmente como. ca. medio de transporte de la fibra (ASPAPEL, 2009).. te. Ibáñez (2011) refiere que los productos fabricados, el consumo de agua en las. io. fábricas se encuentra dentro de los siguientes intervalos:. Bi bl.  “Cartón: 3-8 m3 /T de producto”  “Papel periódico: 10-15 m3 /T de producto”  “Papel tisú: 15-20 m3 /T de producto”  “Papel de impresión y escritura: 200 m3 /T de producto.” Es por ello que los efluentes de industria papelera descargan efluentes a los sistemas de alcantarillado o también a aguas superficiales con altas concentraciones de DQO, DBO5, sólidos suspendidos, etc. Sus características van a depender del tipo de materia prima que utilizan en la elaboración y en su tecnología aplicada. 20 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(21) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.3.2.1. Contaminación del circuito de aguas En la contaminación de los circuitos de agua tienen como fuentes de contaminación a sus materias primas fibrosas, las aguas de alimentación y los aditivos las cuales se detallan a continuación: Materias primas fibrosas: Son las principales fuentes de contaminación de las aguas y éstas varían de acuerdo a la fibra que se utiliza. Entre sus parámetros más importantes tenemos los contenidos de materia orgánica soluble, partículas y. ica. concentración de microorganismos.. m. Entre sus principales contaminantes tenemos a los adhesivos de contacto como. Q uí. (polímeros de estireno-butadieno, etc.) y también adhesivos de fusión (por ejemplo el acetato de vinilo). Entre otros contaminantes tenemos a los aglutinantes que vendrían. In. g.. hacer las tintas modernas (las resinas alquídicas en los pigmentos de impresión láser).. de. Otro principio de contaminación es la elevada concentración de microorganismos esto se debe a la suciedad y humedad del medio en el que se encuentra almacenado el. ca. papel antes de su reutilización. En el papel reciclado se encuentra los almidones que son. te. un excelente medio de crecimiento para los microorganismos que se encuentran. Bi bl. io. presentes en el agua de su proceso (Urquiaga, 2013). Aditivos: son consideradas como una segunda fuente de contaminación de las aguas en el proceso de las industrias papeleras. El elevado número de aditivos durante el proceso complica definir la naturaleza e importancia de este principio de contaminación (Urquiaga, 2013). Aguas de Alimentación: incluyen una diversidad de contaminantes las cuales están relacionadas con el tipo de agua que utiliza. Sé clasifican en dos grandes grupos: aguas subterráneas que se generan en los pozos y aguas superficiales que se generan en los lagos, pantanos y ríos. “En la fabricación de papel el agua proviene un 75 % de los ríos,. 21 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(22) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. un 20% de pozos y un 5 % de la red. Sólo se usa un 5-10 % del agua en la fabricación de papel (evaporación, humedad del producto final) y el 90-95 % restante se devuelve al medio receptor convenientemente limpio.” (ASPAPEL, 2009). Coagulación 1.3.2.2. Definición de la coagulación Se puede definir a la coagulación como la desestabilización química de las. ica. partículas para conseguir que las fuerzas de atracción tipo Van der Waals que existen entre dos partículas predominen sobre las de repulsión electrostática, de esta manera, las. m. partículas se unen y dan lugar a la formación de sólidos de mayor tamaño (Martínez,. Q uí. 2008).. g.. Esta operación se realiza comúnmente en unidades y tanques de mezcla rápida,. In. donde el agua es sometida a una agitación muy intensa para obtener una solución. de. homogénea de los coagulantes químicos con el agua en el tiempo menor posible (Andía, 2000).. ca. Según Barrenechea (2004), la coagulación mediante la adición de sales de aluminio. te. y hierro generan dos fenómenos: el primero es químico, el cual consiste en que el. Bi bl. io. coagulante reacciona con el agua y se da la formación de especies hidrolizadas con una carga positiva. Dicho proceso depende de la concentración de coagulante y el pH final de la mezcla. El segundo es físico, consiste en el transporte de especies hidrolizadas para que hagan contacto con los contaminantes del agua.. 22 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(23) ca. de. In. g.. Q uí. m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. io. te. Figura 1. Coagulación (Andia, 2000). Bi bl. 1.3.2.3. Mecanismos de la Coagulación Al ser la coagulación un proceso químico múltiple, éste implica la combinación de numerosos procesos simples. La coagulación empieza con la adición a una dispersión coloidal de un reactivo químico (normalmente una sal de catión polivalente), el cual activa simultáneamente varios mecanismos de desestabilización coloidal, siendo los más importantes la compresión de la doble capa eléctrica (como consecuencia del aumento en la fuerza iónica del medio que provoca este nuevo reactivo) y la neutralización de la carga superficial de las partículas coloidales (que está asociada a la adsorción de iones sobre la superficie de las partículas coloidales). Otros mecanismos 23 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(24) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. fisicoquímicos presentes en la coagulación son la retención de partículas en un. Bi bl. io. te. ca. de. In. g.. Q uí. m. ica. precipitado y la adsorción y puente (Martínez, 2008).. Figura 2. Mecanismos de la coagulación (Martínez, 2008). Como efecto en la coagulación, al aumentar las fuerzas iónicas o debido a la neutralización, las fuerzas de repulsión electrostáticas se hacen menores que las fuerzas de atracción de Van der Walls cuando las partículas chocan están se unen y forman partículas de mayor tamaño. A este proceso en el cual las partículas chocan se le domina floculación. En los tratamientos de agua residuales este proceso se consigue agitando suavemente el agua y así favorece su movimiento interno en las partículas coloidales.. 24 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(25) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.3.2.4. Coagulantes Utilizados Andía (2000). refiere que los principales coagulantes empleados para desestabilizar las partículas y generar el floc son: Aluminato de Sodio. . Sulfato de aluminio.. . Sulfato Ferroso.. . Cloruro de Aluminio.. . Cloruro Férrico.. . Polielectrolitos (Como ayudantes de floculación).. Q uí. m. ica. . 1.3.3. Electrocoagulación. g.. Uno de los métodos utilizados actualmente para remover contaminantes orgánicos e. In. inorgánicos de las aguas residuales es el tratamiento electroquímico, donde mediante. de. diferentes procesos, los contaminantes se destruyen por oxidación directa o indirecta. ca. (Janssen & Koene, 2002). Uno de los procesos que han sido empleados comercialmente. te. en diferentes plantas de tratamiento de aguas residuales se conoce como. io. electrocoagulación (Beagles, 2004).. Bi bl. 1.3.3.1. Definición electrocoagulación La electrocoagulación se define como un proceso que desestabiliza finamente las partículas dispersas en el agua natural o residual usando electrodos de hierro o aluminio en el proceso y mediante la aplicación de corriente eléctrica. En el ánodo se producen iones de hierro (Fe2+) o Aluminio (Al3+), los cuales son generados electroquímicamente y son buenos coagulantes que pueden hidrolizarse cerca del ánodo para producir una serie de intermediarios activados que tienen la capacidad de desestabilizar las partículas dispersas presentes en el agua. Estas partículas desestabilizadas se unen para formar flóculos. Al mismo tiempo, se generan pequeñas burbujas de hidrógeno en el cátodo, lo 25 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(26) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. que deriva en la flotación de los flóculos formados facilitando la separación de partículas del agua residual (Chen, 2004; Holt, Barton & Mitchel, 2004; Cañizares, García, Lobato & Rodrigo, 2004). En el proceso de electrocoagulación se generan coagulantes in situ, esto se debe a la generación de iones de aluminio o hierro en los electrodos; estos iones liberados forman largas cadenas de poli hidróxidos, los cuales son diferentes a los formados en la coagulación convencional cuando se añaden sales químicas, puesto que tienen diferente. ica. estructura hidratada. Esta situación permite retirar, retener y secar con mayor facilidad. m. los lodos residuales generados luego del proceso. Los “flocs” formados se compactan. Q uí. más fácil por lo que contienen menos agua ligada; es decir, son menos hidratados (Piña et al., 2011).. In. g.. El agua que se somete a una electrólisis se ve favorecida por la presencia de sales. de. en disolución las cuales posibilitan la conducción de electricidad y que están presentes en todas las aguas residuales industriales (Chavez, Cristancho y Ospina, 2009).. ca. La electrocoagulación es utilizada en la remoción de contaminantes de muy. te. diversas aguas residuales, tales como las de la industria de galvanoplastia, electro-. Bi bl. io. plateado metálico, fábricas de envasados, industria del papel (desperdicios de molinos de papel), peleterías, molinos de acero, efluentes con contenido de cromo, plomo o mercurio y efluentes con contenido de aceites como los generados por talleres de maquinaria, refinerías, talleres de reparación de autos, transporte, almacenamiento y distribución de aceites, efluentes de la industria alimentaria, lavanderías e industria textil, y finalmente ha sido utilizada en la remoción de los contaminantes de las aguas para consumo humano y residuales domésticas (Mollah, Schennach, Parga & Cocke, 2001; Kobya, Tener & Bayramoglu, 2003).. 26 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(27) m. ica. Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Reacciones y mecanismos involucrados en la electrocoagulación. g.. 1.3.3.2.. Q uí. Figura 3. Interacciones ocurridas en la electrocoagulación (Holt, 2004). In. En la electrólisis ocurren una serie de procesos físicos y químicos que permiten la. de. remoción de los contaminantes. Estos procesos se pueden describir de la siguiente manera:. ca. En los electrodos ocurren una serie de reacciones que proporcionan iones tanto. te. positivos como negativos. El ánodo provee iones metálicos, por lo que a este electrodo. Bi bl. io. 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 (Restrepo, Arango y Garcés, 2006). 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 27 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(28) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. precipitación y la segunda procesos físicos de agregación de coloides, que dependiendo de su densidad pueden flotar o precipitar (Restrepo et al., 2006). 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 por estequiometria con la cantidad de electricidad puesta en el sistema. A diferencia de la coagulación química, proceso en el cual el coagulante es. ica. adicionado al sistema como agente químico, en la electrocoagulación el coagulante es. m. formado in situ mediante las reacciones dadas por la disolución de iones del metal que. Q uí. conforma el electrodo de sacrificio.. Como se explicó anteriormente, la producción de iones metálicos se da en el ánodo. In. g.. y son los iones que, por oxidación electrolítica, dan origen a la sustancia química que. de. hace las veces de coagulante (Restrepo et al., 2006). Se considera que en el proceso de electrocoagulación intervienen tres etapas:. ca. inicialmente se forma el coagulante por oxidación electrolítica del metal del ánodo,. te. luego se da la desestabilización de los componentes y emulsiones y, finalmente se. Bi bl. io. produce la formación de flóculos por agregación de las partículas del contaminante o adsorción de éstas en el coagulante (Mollah et al., 2001). 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 (Restrepo et al., 2006).. 28 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(29) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. . Reacciones involucradas en la electrocoagulación:. Los materiales que más emplean en la electrocoagulación son electrodos de hierro y aluminio. Es por esta razón que se empleará electrodos de aluminio y hierro en el reactor. En el caso en el cual el hierro actúa como ánodo, existen dos mecanismos que explican la formación in situ de dos posibles coagulantes. Estos pueden ser hidróxido ferroso Fe. ica. (OH)2 o hidróxido férrico Fe (OH)3 (Mollah et al., 2001; Bayramoglu et al., 2004;. m. Larue, 2003).. Q uí. Mecanismo 1: Hidróxido férrico. g.. En el ánodo ocurren las siguientes reacciones:. In. 4 Fe (s) → 4 Fe2+ (ac) + 8 e-. [Ec.2]. de. 4 Fe2+ (ac) + 10 H2O (l) + O2 (g) → 4 Fe (OH)3 (s) + 8 H+(ac). [Ec.1]. En el cátodo ocurre la reacción:. io. Reacción global:. [Ec.3]. te. ca. 8 H+ (ac) + 8 e- → 4 H2 (g). [Ec.4]. Bi bl. 4 Fe(s) + 10 H2O (l) + O2 (g) → 4 Fe (OH)3 (s) + 4 H2 (g) Mecanismo 2: Hidróxido ferroso. En el ánodo se dan las reacciones: Fe (s) → Fe 2+ (ac) + 2 e-. [Ec.5]. Fe2+ (ac) + 2 OH- (ac) → Fe (OH)2 (s). [Ec.6]. En el cátodo ocurren las siguientes reacciones: 2 H2O (l) + 2 e- → H2 (g) + 2 OH- (ac). [Ec.7] 29. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(30) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Reacción global: Fe (s) + 2 H2O (l) → Fe (OH)2 (s) + H2 (g). [Ec.8]. Luego de la formación de los hidróxidos de hierro los coloides se aglomeran, especialmente aquellos con carga negativa, y posteriormente otras partículas de contaminantes interactúan con estos aglomerados, siendo removidos por formación de complejos o atracciones electrostáticas (Larue, 2003).. al., 2001; Kobya et al., 2003; Bayramoglu et al., 2004).. m. En el ánodo:. ica. Cuando el aluminio actúa como ánodo las reacciones son las siguientes (Mollah et. [Ec.9]. Al3+ (ac) + 3H2O → Al (OH)3 (s) + 3 H+ (ac). [Ec.10]. n Al (OH)3 → Aln(OH)3n. [Ec.11]. In. g.. Q uí. Al → Al3+ (ac) + 3e-. En el cátodo:. de. 3 H2O + 3 e- → 3 H2 +3 OH-. [Ec.12]. ca. Los iones Al3+ en combinación con los OH– reaccionan para formar algunas. te. especies monoméricas como Al(OH)2+, Al2(OH)2+, Al(OH)2+, y otras poliméricas, tales. Bi bl. io. como Al6(OH)153+, Al7(OH)174+, Al8(OH)204+, Al13O4(OH)247+ y Al13(OH)345+ que por procesos de precipitación forman el Al(OH) 3 ánodo. El Al (OH)3. (s). (s),. como se muestra en la reacción de. es una sustancia amorfa de carácter gelatinoso, que expone una. gran área superficial con propiedades absorbentes y que es propicia para los procesos de adsorción y atracción de las partículas contaminantes (Mollah et al., 2001; Kobya et al., 2003; Chen, 2004; Holt et al., 2004).. 30 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(31) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. 1.3.3.3.. Factores que afectan la electrocoagulación. Los factores que intervienen en el proceso de electrocoagulación se detallan a continuación: Densidad de corriente: Es un parámetro que más influye en la remoción de contaminantes presentes en el agua residual, la eficacia de la remoción y el consumo de energía se ve incrementado con el aumento de la densidad de corriente. Esto se debe a la conductividad de su medio acuoso. Además el consumo de energía se incrementa. ica. proporcionalmente con los aumentos de conductividad, lo que generaría un consumo. m. mayor de energía. En consecuencia si se emplea altos consumos de energía presentarían. Q uí. perdidas en la trasformación de energía eléctrica en calórica, generando un aumento en la temperatura del medio acuoso.. In. g.. La densidad de corriente al ingresar al sistema de electrocoagulación determinaría. de. la cantidad de iones de aluminio Al3+ o hierros Fe2+, liberados por los respectivos electrodos. En general al aumentar la densidad de corriente aumentaría la remoción de. ca. contaminante. Una densidad de corriente demasiado grande produciría una disminución. te. significativa en la eficiencia. Es por ello que se debería tomar en cuenta otros. Bi bl. io. parámetros como el pH y temperatura para seleccionar bien la densidad de corriente (Zurita, 2012).. Potencial de Hidrógeno (pH): El efecto del pH en el agua residual para los proceso de electrocoagulación se refleja en la eficacia de densidad de corriente, así como en la solubilidad de hidróxidos. En el proceso de electrocoagulación, se presenta una variación del pH, esto se debería por el material de electrodos empleados y de su pH inicial del agua a tratar. El pH durante el proceso puede aumentar para aguas residuales ácidas como consecuencia de la generación de hidrógeno molecular que se origina en el cátodo. En caso de aguas residuales alcalinas su pH puede decrecer, esto. 31 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(32) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. dependería de la calidad del contaminante, el pH influye sobre la eficacia del proceso en el cátodo (Chen, 2004; GE, 2004; Koyba et al., 2003; Bayramoglu et al., 2004; Kumar, 2004; Zinola, 1999; Larue, 2003). Conductividad: Un aumento en la conductividad eléctrica genera a su vez un aumento. en la densidad de corriente. Cuando se mantiene constante el voltaje. alimentado a la celda electrocoagulación y adicionalmente el aumento de la conductividad, manteniendo la densidad de corriente igual, ocurre una disminución del. ica. voltaje aplicado. La adición de algunos electrolitos tales como NaCl o CaCl 2 genera un. m. aumento en la conductividad del agua residual. Además se ha encontrado que los iones. Q uí. de cloruro pueden reducir los efectos adversos de iones como HCO 3- y SO42-, pues la presencia de iones carbonatos o sulfatos pueden conducir a la precipitación de Ca2+ y. In. g.. Mg2+ produciendo una capa insoluble depositada sobre los electrodos que aumentaría el. de. potencial entre éstos, decreciendo así la eficiencia de la corriente. Se recomienda, sin embargo, que para un proceso de electrocoagulación normal se mantengan cantidades. ca. de Cl- alrededor del 20 % (Zurita, 2012).. te. Efecto de la temperatura:. Los efectos de la temperatura sobre la. Bi bl. io. electrocoagulación no han sido muy investigados, pero se ha encontrado que la eficiencia en la corriente 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 (Arango, 2005). Tiempo: El tiempo indica que a mayor valor, mayor será la cantidad de sólidos formados, debido a que se favorece tanto los procesos de electrodos como la floculación y precipitación de los sólidos. Se producen más gases, que al ascender, llevan las partículas de óxido a la superficie en forma de espuma y a su vez promueve el. 32 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(33) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. crecimiento de los flóculos y su posterior precipitación. Si existiera un cambio en el tiempo este influye en la cantidad de sólidos que se obtiene. Se señala que en sus variaciones resultan menos significativamente en su pH, por lo que se encuentra vinculado al producto de solubilidad el cual debe de disminuir al elevarse el mismo, lo que significa que los sólidos son más insolubles y por tanto se obtiene una mayor precipitación de los mismos en la medida que el pH aumenta (Pantoja, 2012). Material del Electrodo: En la electrocoagulación con ánodos de sacrificio, la. ica. selección del material del electrodo va a depender de la naturaleza y afinidad que tenga. m. el contaminante que se pretende remover con el coagulante producido, es decir, si se. Q uí. quiere remover material suspendido, el coagulante debe propiciar una desestabilización de los coloides para que éstos se aglutinen y posteriormente sean separados por. In. g.. precipitación. En el caso de elementos disueltos se busca que el coagulante los adsorba. de. o los retenga mediante algún mecanismo fisicoquímico (Mejía y Osorio, 2003). Los materiales que se suelen emplear en la electrocoagulación son aluminio y. ca. hierro. La configuración de los electrodos, generalmente, es en forma de platos de. te. aluminio o hierro. Se ha encontrado que la principal aplicación de los electrodos de. Bi bl. io. aluminio es para tratamiento de aguas, debido a su alta eficiencia en autogeneración de agentes coagulantes (Chen, 2004). Es oportuno mencionar, que la superficie de las placas de los electrodos empleados en la electrocoagulación, se deben lavar regularmente dado que si se forman capas de óxido, los electrodos se pueden pasivar disminuyendo la eficacia del tratamiento (Rajechwar & Ibanes, 1997). 1.3.3.4. Reactores para la Electrocoagulación Existes dos formas de clasificar a los reactores para la electrocoagulación como reactores tipo batch o reactores de sistema continuo. Para seleccionar uno de estos. 33 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(34) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. reactores todo dependerá de las características del contaminante y de la concentración, así como del volumen de agua residual a tratar. Otra clasificación de estos reactores está aplicada en función de la flotación (Restrepo et al., 2006). Se describe a continuación los tipos de reactores: Tipo batch: Se emplea con un cantidad de agua residual a tratar es un reactor simple y su costo de operación es bajo para utilizarlo en el tratamiento de electrocoagulación. El reactor está formado por una celda electroquímica, se emplea un. ica. ánodo y un cátodo que se ubican de forma vertical y están conectados a una fuente de. te. ca. de. In. g.. Q uí. m. poder externa (Restrepo et al., 2006).. io. Figura 4. Reactores para electrocoagulación tipo batch: (a) Reactor con electrodos conectados. Bi bl. en paralelo, (b) Reactor con electrodos conectados en serie (Restrepo et al., 2006). Reactor Tipo Filtro Prensa: Lo conforman una unidad de cobertura en forma de caja el cual tiene un ánodo y un cátodo además contiene una membrana como se observa en la figura 5. Esto hace que dicha operación y mantenimiento sea simple de usar. EL agua que ingresa para su tratamiento entra primero por la parte lateral a la cámara y es atraída a una placa de flujo turbulento, para así incrementar la eficacia de su proceso. (Chen, 2004; Restrepo et al., 2006).. 34 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(35) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. ica. Figura 5. Reactor tipo filtra prensa (Restrepo et al., 2006). m. Reactor de Electrodo Cilíndrico Rotativo. Se emplea este reactor para remover. Q uí. metales, el cátodo gira en el centro del reactor y el ánodo se encuentra fijo como se observa en la figura 6. Esto permite aumentar la transferencia de masa en los electrodos. Bi bl. io. te. ca. de. In. g.. y así remover las partículas que se encuentran en el cátodo. (Chen, 2004).. Figura 6. Reactor de electrodo cilíndrico rotativo (Restrepo et al., 2006). Reactor de Lecho Fluidizado. El reactor de lecho fluidizado es empleado para la remoción de metales, el cual facilita el aumento del área superficial mejorando así la eficacia del proceso. Se debe emplear ánodos dimensionalmente estables, uno de estos. 35 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(36) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. materiales podría ser el acero que se emplea en reactores para recuperar metales (Chen,. ica. 2004).. m. Figura 7. Reactor de lecho fluidizado (Restrepo et al., 2006). Ventajas de la Electrocoagulación. Q uí. 1.3.3.5. Ventajas y Desventajas de la Electrocoagulación. In. g.. Según la investigación desarrollada por Holt et al. (2004) y Mollah et al. (2001), las ventajas y desventajas para el tratamiento de electrocoagulación son las. de. siguientes:. ca. − La electrocoagulación evita el uso de productos químicos, por lo que no se. io. químicas.. te. generaría una contaminación del medio ambiente originada por sustancias. Bi bl. − La electrocoagulación disminuye una variedad de contaminantes que se generan en los procesos de aguas residuales industriales como: grasas y aceite, DQO, DBO5, fosfatos. − Se produce hasta un 50% menos de lodos, así como un agua con menor concentración de sólidos disueltos (turbiedad), haciendo más factible su reutilización. − Se usan equipos simples y son fáciles de operar.. 36 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(37) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. − En la electrocoagulación se genera más flóculos que aquellos que se forman en la coagulación química. − Los contaminantes son arrastrados por las burbujas a la superficie del agua tratada, donde pueden ser removidos con mayor facilidad. Desventajas de la electrocoagulación  Se necesita cambiar los electrodos de sacrificio para cada prueba de electrocoagulación.. m. disminuyendo el proceso de electrocoagulación.. ica.  En el ánodo se formaría óxido el cual dificulta el ingreso de corriente a la celda,. Q uí.  Los costos de tratamiento pueden ser altos debido al consumo de energía eléctrica.. g.. 1.4. PROBLEMA. In. ¿Cuál es la influencia de la densidad de corriente y el tiempo de tratamiento para. de. obtener un mejor porcentaje de remoción de la DBO 5 y turbidez de los efluentes de la. ca. empresa Trupal S.A. por electrocoagulación? 1.5. HIPÓTESIS. io. te. “El tiempo de tratamiento y la densidad de corriente en el proceso de. Bi bl. electrocoagulación influyen en la remoción de la DBO5 y la turbidez en los efluentes de la empresa Trupal S.A.” 1.6. OBJETIVOS. Objetivo general  Aplicar el sistema de Electrocoagulación como método de tratamiento para disminuir la concentración de la DBO5 y turbidez de los efluentes de la empresa Trupal S.A.. 37 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(38) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. Objetivos específicos  Determinar el valor más óptimo de la densidad de corriente para una adecuada remoción de la DBO5 y turbidez de los efluentes de la empresa Trupal S.A. por electrocoagulación.  Determinar el tiempo de tratamiento más adecuado para un mejor porcentaje de remoción de la DBO5 y turbidez de los efluentes de la empresa Trupal S.A.. ica.  Determinar estadísticamente la influencia de la densidad de corriente y el tiempo de tratamiento sobre el porcentaje de remoción de la DBO5 y turbidez en los. Bi bl. io. te. ca. de. In. g.. Q uí. m. efluentes de la empresa Trupal S.A. 38 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(39) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación. II.. MATERIALES Y MÉTODOS. 2.1 Material de estudio 2.1.1 Efluente procedente de la máquina papelera Trupal S.A, es una empresa que se dedica a la fabricación de papel y cartón a partir del bagazo desmedulado de la caña de azúcar y cartón reciclado, el cual genera dos tipos de efluentes: El efluente industrial (está conformado por la planta de la pulpa y de la. ica. máquina papelera) y el efluente del licor negro.. m. La investigación se llevó acabo utilizando el efluente industrial producido por la. Q uí. máquina papelera, que contiene residual de fibra de cartón reciclado y pulpa de bagazo que se genera por las pérdidas durante el proceso de fabricación de papel.. In. 2.2.1 Reactivos químicos. g.. 2.2 Reactivos y materiales. de.  Ácido Sulfúrico (H2SO4) utilizado para reducir el pH de la muestra y como. ca. preservante de muestras de DQO.. te. 2.2.2 Materiales. io.  Electrodos de aluminio.. Bi bl.  Electrodos de hierro.  Soporte de acrílico.  Conductores eléctricos.  Lijas para metal #40.  Papel filtro.  Vaso de precipitado de 500 mL.  Vaso precipitado de 1000 mL.  Vaso precipitado de 100 mL. 39. Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.

(40) Biblioteca Digital - Dirección de Sistemas de Informática y Comunicación.  Matraz Büchner de 1000 mL.  Embudo Büchner.  Agua destilada.  Gotero de plástico.  Guantes de látex.  Espátula.. ica.  Pizeta.  Galones de 5 L.. Q uí. m.  Papel secador..  Botellas esterilizadas para toma de muestras.. g..  Mascarillas.. In.  Balde transparente.. de.  Cinta aislante y adhesiva.. ca. 2.2.3 Equipos. te.  Fuente de poder de corriente continua Voltaje: 0-28 V y Amperaje: 0-10 A. io.  Celda electroquímica de vidrio (de 14,1 cm de largo x 10,5 cm de ancho x. Bi bl. 18 cm altura) capacidad de 2,6 litros..  Cronómetro modelo HS-12.  Reóstatos de 25 ohm y 4,5 A (rango regulables).  Multiparametro marca Thermo Scientific Orion star modelo A320.  Turbidímetro marca Thermo Scientific Orion AQUAfast modelo AQ3010.  Agitador Magnético marca HANNA modelo HI 180 Speedsafe.  Bomba con resistencia química marca HYBRID modelo RC 6.  GPS marca GARMIN (ELAB-200).. 40 Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia, visite http://creativecommons.org/licences/by-nc-sa/2.5/pe/.