Influencia de la densidad de corriente y tiempo sobre el porcentaje de eliminación de iones plomo a partir de soluciones acuosas contaminadas usando electrodeposición

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(1)BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA Escuela Académico Profesional de Ingeniería de Materiales. TESIS:. INFLUENCIA DE LA DENSIDAD DE CORRIENTE Y TIEMPO SOBRE EL PORCENTAJE DE ELIMINACIÓN DE IONES PLOMO A PARTIR DE SOLUCIONES ACUOSAS CONTAMINADAS USANDO ELECTRODEPOSICIÓN PARA OPTAR EL TÍTULO DE:. INGENIERO DE MATERIALES AUTORES. : Br. AGUILAR DÁVILA, Diego Arturo. Br. LAVADO LÁZARO, Katherine Alessandra.. ASESOR. : Dr. CÁRDENAS ALAYO, Ranulfo Donato. TRUJILLO – PERÚ 2018. 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) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. MIEMBROS DEL JURADO. _______________________________________ Dr. DÍAZ DÍAZ, Alex Fabián CIP N° PRESIDENTE. _______________________________________ Ms. OTINIANO MÉNDEZ, Santos Dionicio CIP N° SECRETARIO. _______________________________________ Dr. CÁRDENAS ALAYO, Ranulfo Donato CIP N° ASESOR. i 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, porque Él me da sabiduría para salir adelante. A mi papá, Rubén que siempre está a mi lado apoyándome en mis éxitos y tropiezos. Por su confianza plena y creer que soy capaz de hacer muchas cosas. Muchas gracias por todo lo bueno que me has enseñado. Te amo mucho papá. A mis abuelitos Roberta y Edilberto, que son mis segundos padres. Gracias por sus buenos consejos, por sus valores inculcados en mi persona y su apoyo incondicional durante toda mi vida. A mi hermana Almendra, que estuvo siempre a mi lado en todos los buenos y malos momentos apoyándome sin límites. A mi tía Lolita, que se comportó como una madre en todos los momentos que necesité y me guio siempre por el camino correcto. A mi familia Lavado, que siempre confiaron en mí. Sé que siempre contaré con ustedes. Gracias a todos. A Ingeniería de Materiales por brindarme el conocimiento durante toda mi etapa universitaria con su excelente plana docente.. ALESSANDRA LAVADO. 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/.

(4) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. DEDICATORIA. A Dios que me ayuda a tomar mis decisiones y a salir adelante. Porque me regaló a los mejores papás del mundo, con la paciencia y amor que tienen con mi hermana y conmigo. A mis padres, este logro es por ustedes y para ustedes, no estaría aquí sin su apoyo. Por sus recomendaciones de qué hacer, su motivación y ganas de salir adelante me contagian y me dan las fuerzas de lograr más cosas. Sé que siempre contaré con ustedes, prometo dar lo mejor de mí y que se sientan orgullosos. A mi hermana, que siempre alegra los días con sus ocurrencias. Te deseo todo lo mejor y te apoyaré siempre en tus metas. A Ingeniería de Materiales, que me brindó los conocimientos para comenzar una vida profesional.. DIEGO AGUILAR. 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/.

(5) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. AGRADECIMIENTO. Expresamos nuestro agradecimiento a la Universidad Nacional de Trujillo, a nuestra especialidad de Ingeniería de Materiales y su Laboratorio de Corrosión y Degradación de Materiales por brindarnos la disposición de equipos, instrumentos y ambientes necesarios para la realización del presente trabajo de investigación, así como su apoyo tecnológico.. Nuestro profundo agradecimiento a nuestro asesor de tesis, Dr. Donato Cárdenas Alayo, por su continuo apoyo, asesoramiento, diligencia, experiencia y orientación sin la cual no hubiese sido posible la realización y culminación del presente trabajo de investigación.. Nuestra sincera gratitud a toda la familia de Ingeniería de Materiales: Ingenieros, Docentes, compañeros, plana administrativa. Por habernos acompañado en todo este tiempo de nuestra carrera profesional, por sus buenos consejos, su mano dura en la enseñanza, su ímpetu en el aprendizaje, y su apoyo en todos los momentos que estuvimos en nuestra de casa de estudios, así mismo a la Universidad Nacional de Trujillo por cobijarnos en sus aulas y prestarnos sus instalaciones para realizar nuestros objetivos.. Los Autores.. 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/.

(6) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. RESUMEN. En el presente trabajo de investigación se evaluó influencia de la densidad de corriente y tiempo sobre el porcentaje de eliminación de plomo en una solución acuosa contaminada, mediante electrodeposición. Lo que motivó esta investigación es que el Perú es un país cuya economía se basa en la minería, y esta es fuente de un sinnúmero de soluciones acuosas con altas concentraciones de metales en estado iónico los cuales no son tratados eficientemente y son vertidos en los ríos contaminando las aguas que sirven para la agricultura y consumo humano. Se sabe que la concentración de plomo presente en las soluciones acuosas contaminadas puede llegar hasta 560 ppm aproximadamente y según la Legislación Ambiental del ministerio del ambiente el límite máximo permisible para su descarga en cualquier momento debe ser de 0.2ppm. El método propuesto para lograr eliminar el mayor porcentaje de plomo divalente es la electrodeposición para lo cual se empleó como cátodo al cobre y como ánodo al acero inoxidable 304, un electrolito preparado con nitrato de plomo con una concentración de 1568 ppm y una fuente de corriente continua. Para la obtención de datos se empleó densidades de corriente de 2.5, 3.5, 4.0 y 4.5 mA/cm2 y tiempo de 30, 60 y 90 minutos. El mejor porcentaje de eliminación de plomo divalente fue 81.51% el cual se logró con una densidad de corriente de 4.5 mA/cm2 y un tiempo de 90 minutos. Finalmente se concluyó que conforme aumenta la densidad de corriente y tiempo, se logra cada vez mayor porcentaje de eliminación de plomo divalente, lo cual se confirma con la ecuación de Faraday y el análisis estadístico realizado. Palabras clave: plomo, solución acuosa contaminada, electrodeposición.. 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/.

(7) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. ABSTRACT. In this research, the influence of current density and time on percentage of lead elimination in an aqueous solution contaminated by means of electrodeposition was studied. Peru is a country, that the economy is based on mining, source of countless aqueous solutions with high concentrations of ionic metals which are not dealt with efficiently and are dumped in the rivers, contaminating waters which are used for agriculture and human consumption. It is known that the concentration of lead in aqueous solutions contaminated can reach up to 560 ppm approximately and according to the Environmental Law of the ministry of the environment the maximum permissible limit for download at any time must be 0.2 ppm. The method used to eliminate the highest percentage of divalent lead is electrodeposition for which it was used as a cathode to copper and as an anode to stainless steel 304, an electrolyte prepared with lead nitrate with a concentration of 1568 ppm and a source of direct current. For the obtaining of data was used current densities of 2.5, 3.5, 4.0 and 4.5 mA/cm2 and time of 30, 60 and 90 minutes. The best percentage of divalent lead elimination was 81.51% which was achieved with a current density of 4.5 mA/cm2 and in a time of 90 minutes. Finally, it was concluded that increases the current density and time, is achieved increasingly higher percentage of elimination of lead divalent, which is confirmed by the equation of Faraday and the statistical analysis carried out. Key words: lead, aqueous solution contaminated, electrodeposition.. 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/.

(8) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. INDICE DEDICATORIA ..................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTO ........................................................................................................... iv RESUMEN ............................................................................................................................. v ABSTRACT .......................................................................................................................... vi INDICE................................................................................................................................. vii APÉNDICE ........................................................................................................................... ix ANEXOS ............................................................................................................................... ix LISTADO DE FIGURAS....................................................................................................... x LISTADO DE TABLAS ...................................................................................................... xii SIMBOLOGÍA .................................................................................................................... xiii. I.. INTRODUCCIÓN. 1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA ................................................................................. 01 1.2. ANTECEDENTES ...................................................................................................... 04 1.3. FUNDAMENTO TEÓRICO ....................................................................................... 09 1.3.1. Efluentes mineros .............................................................................................. 11 a. Drenaje Ácido de Mina (DAM) ...................................................................... 11 1.3.2. Límites máximos permisibles para efluentes líquidos....................................... 12 1.3.3. Electrodeposición .............................................................................................. 13 1.3.4. Ventajas de Tratamiento Electroquímico .......................................................... 15 1.3.5. Ley de Faraday .................................................................................................. 16 1.4. PROBLEMA ............................................................................................................... 18 1.5. HIPÓTESIS ................................................................................................................. 18. 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/.

(9) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.6. OBJETIVOS 1.6.1. Objetivo General ............................................................................................... 18 1.6.2. Objetivos específicos ......................................................................................... 18 1.7. IMPORTANCIA ......................................................................................................... 19. II. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. MATERIALES DE ESTUDIO 2.1.1. Universo objetivo .............................................................................................. 20 2.1.2. Población o Universo Muestral ......................................................................... 20 2.1.3. Muestra o población de estudio ......................................................................... 20 2.2. MÉTODOS 2.2.1. Diseño de investigación ..................................................................................... 20 2.2.2. Procedimiento experimental .............................................................................. 22. III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. CONCENTRACIÓN INICIAL DE IONES PLOMO EN LA SOLUCIÓN. .............. 25 3.2. CONCENTRACIÓN RESIDUAL DE IONES PLOMO EN LA SOLUCIÓN. ......... 25 3.3. ELIMINACIÓN DE PLOMO POR ELECTRODEPOSICIÓNCIÓN. ....................... 27. IV. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1. CONCLUSIONES ....................................................................................................... 34 4.2. RECOMENDACIONES ............................................................................................. 34. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 35. 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/.

(10) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. APÉNDICE APÉNDICE I: Resultados obtenidos en el ensayo de eliminación del plomo .................... 39 APÉNDICE II: Procesamiento matemático de datos experimentales ................................ 41 APÉNDICE III: Análisis estadístico de los resultados ....................................................... 48 APÉNDICE IV: Diagrama de Pourbaix del plomo ............................................................ 55. ANEXOS ANEXO 1: Diagrama de Pourbaix del plomo ..................................................................... 57. 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/.

(11) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. LISTADO DE FIGURAS. Figura 1.1:. Contaminación producida por diferentes operaciones mineras por metales pesados como el plomo…………………………….…………………….…02. Figura 1.2:. Proceso de contaminación debido al drenaje ácido de mina (DAM)……….03. Figura 1.3:. Proceso de electrodeposición……………………………………………….14. Figura 1.4:. Variables de celda que intervienen en la electrodeposición…………………15. Figura 1.5:. Esquema del problema de investigación……………………………………18. Figura 2.1:. Capacidad de la solución acuosa contaminada con iones plomo……………20. Figura 2.2:. Diagrama de bloques del procedimiento experimental…………..………….22. Figura 3.1:. Concentraciones de plomo (II) en solución acuosa después del proceso de electrodeposición, a diferentes tiempos de electrodeposición y densidades de corriente………………………………………………………………….....26. Figura 3.2:. Porcentaje de eliminación de plomo mediante electrodeposición en función de la densidad de corriente y tiempo……………………………...…………....28. Figura 3.3:. Eficiencia del sistema electroquímico en función de la densidad de corriente aplicada y tiempo de electrodeposición…………………………………..…30. Figura 3.4:. Diagrama de Pourbaix del plomo…………………………………………...31. Figura A-IV: Diagrama de Pourbaix del plomo……………………………..………….….55 Figura A-1: Pesaje de Nitrato de Plomo (Pb(NO3)2) para 1L de agua destilada……….....57 Figura A-2: Dilución del Nitrato de Plomo (Pb(NO3)2) en agua destilada…………...…..57 Figura A-3: Medición del pH de la solución contaminada con Pb, antes y después de la electrodeposición…………………………………………………………...58 Figura A-4: Desbaste del cátodo de cobre para eliminación de elementos extraños como óxidos y/o recubrimientos………………………………………………..…58 Figura A-5: Desengrase del cátodo de cobre……………………………………………..58 Figura A-6: Secado del cátodo de cobre………………………………….……………...59 Figura A-7: Pesaje inicial del cátodo de cobre sin deposición de plomo………………....59 Figura A-8: Ensamblaje del sistema electrolítico………………………………………..60 Figura A-9: Electrodeposición de Plomo en el cátodo de cobre………………………….60 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/.

(12) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Figura A-10: Retiro del cátodo de cobre con plomo depositado de la celda electrolítica….61 Figura A-11: Filtrado de la masa de plomo precipitado…………………………………...61 Figura A-12: Secado del cátodo de cobre con plomo depositado y plomo precipitado en estufa……………………………………………………………………..…62 Figura A-13: Cátodos de cobre con plomo depositado……………………………………62 Figura A-14: Pesaje final del cátodo de cobre con plomo depositado……………………..63. 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/.

(13) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. LISTADO DE TABLAS. Tabla 1.1: Principales actividades industriales generadoras de metales pesados y presencia de plomo………………………………………………………………….......10 Tabla 1.2: Concentraciones típicas de algunos metales en efluentes industriales sin tratamiento…………………………………………………………………...10 Tabla 1.3: Características de las aguas residuales de circuitos de flotación de minerales en mg/L………………………………………………………………………….11 Tabla 1.4: Límites máximos permisibles para la descarga de efluentes líquidos de actividades minero – metalúrgicos………………………………….………..12 Tabla 2.1: Niveles de variables de estudio……………………………………………….21 Tabla 2.2: Diseño de la matriz experimental…………………………………………….21 Tabla 3.1: Concentración de plomo en solución acuosa contaminada sin tratamiento…...25 Tabla 3.2: Concentración residual y valores promedio de plomo (II) en la solución después de la electrodeposición (en mg/L) (Ci = 1563.95 mg/L) ……………………...26 Tabla 3.3: Resultados promedio del porcentaje de eliminación de iones plomo obtenidos en la electrodeposición de Pb……………………...………………………….27 Tabla 3.4: Eficiencia del sistema electroquímico……………………...………………...29 Tabla A-1: Datos experimentales de la electrodeposición de Pb………………………….39 Tabla A-2: Tabla de datos a calcular para el análisis de varianza bifactorial……………...49 Tabla A-3: Tabla de datos obtenidos del % de eliminación de plomo………………….…50 Tabla A-4: Tabla bifactorial de los resultados obtenidos del % de eliminación del plomo..51 Tabla A-5: Niveles de las variables de estudio……………………………………………51 Tabla A-6: Desarrollo de cálculos matemáticos………………………………….………52 Tabla A-7: Tabla de datos del análisis de varianza bifactorial……………………………54. 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/.

(14) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. SIMBOLOGÍA. Pb. Plomo. Cu. Cobre. Pb2+. Ion plomo divalente. Pb(NO3)2. Nitrato de plomo. i. Densidad de corriente. ppm. Partes por millón. mg/L. Miligramo por litro. pH. Potencial hidrógeno. mL. Mililitro. L. Litro. mA. Miliamperio. mA/cm2. Miliamperio por centímetro cuadrado. V. Voltaje. I. Intensidad de corriente. R. Resistencia eléctrica. W. Peso depositado. F. Constante de Faraday. E. Potencial electroquímico. ANAVA. Análisis de varianza. DAM. Drenaje ácido de mina. 3CdSO4.8H2O. Sulfato de cadmio octahidratado. RuO2/Ti. Ánodo de óxido de rutilo/titanio. Cr. Cromo. Ag. Plata. Zn. Zinc. HCW. Altas concentraciones. LCW. Bajas concentraciones. 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/.

(15) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. AISI. American Iron and Steel Institute (Instituto americano del hierro y el acero). Ag+1. Ion plata monovalente. Cd+2. Ion cadmio divalente. Cr+3. Ion cromo trivalente. Mn+2. Ion manganeso divalente. Fe+3. Ion hierro trivalente. Al+3. Ion aluminio trivalente. Zn+2. Ion zinc divalente. SO4-2. Ion sulfato. CN-1. Ion cianuro monovalente. PbSiF6. Fluorosilicato de plomo. H2SiF6. Ácido hexafluorosilícico. 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/.

(16) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. I.. INTRODUCCIÓN. 1.1. REALIDAD PROBLEMÁTICA. En los últimos 150 años el planeta ha cambiado la estructura natural de su atmósfera y su hidrósfera. Una de las mayores fuentes de contaminantes más peligrosos son los residuos eléctricos y electrónicos, relaves mineros, pilas en desuso y plantas de recubrimiento electrolíticos, donde sus desechos son expulsados a las vertientes de los ríos, sin tratamiento alguno. En nuestro país, el análisis y el monitoreo del ambiente es prácticamente inexistente en el caso de la mayoría de los contaminantes. Como resultado de ello, no hay una base adecuada sobre como tomar decisiones informadas acerca del manejo de la contaminación ambiental. Entre los residuos de una industria metalmecánica se encuentran principalmente el aluminio, el zinc, cadmio y plomo, los cuales son producidos en cantidades apreciables durante los procesos productivos. Estos metales se caracterizan por poseer efectos bioacumulativos causando impactos negativos sobre la salud y el ambiente, han sido responsabilizados de ocasionar daños en el sistema nervioso central y periférico, renal, esquelético y en algunos casos producen efectos carcinogénicos (Ramírez, 2006). La minería utiliza grandes cantidades de agua y produce muchos desechos, contaminando las fuentes de agua y a la gente que depende de ellas. El agua de la superficie y el agua subterránea en las áreas mineras pueden permanecer contaminadas por muchos años. La pérdida de agua puede dejar la tierra estéril e inutilizable para la agricultura y la ganadería (Casas y col., 2010). La industria minera, la de procesamiento de minerales y la de producción de metales a menudo genera efluentes con elevadas concentraciones de metales tales como cobre, zinc, cadmio, manganeso, níquel, hierro, aluminio y plomo. Estos metales pueden encontrarse presentes en las soluciones de lixiviación, las cuales pueden requerir ser tratadas antes de su eliminación o reciclado. El drenaje de una mina, a causa de reacciones naturales que ocurren dentro de las pilas de reservas minerales y de relaves, produce agua contaminada. Esta última fuente de agua contaminada es a menudo llamada “drenaje acido de mina” (DAM), conocido también como drenaje acido de roca, y constituye una de las cuestiones ambientales más críticas que debe afrontar la industria en el ambiente mundial (Conant & Fadem, 2011). 1 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. Figura 1.1: Contaminación producida por diferentes operaciones mineras por metales pesados como el plomo (WordPress, 2015). El drenaje ácido de mina ocurre cuando el agua y el aire se mezclan con el azufre en lo profundo del suelo para crear ácidos que disuelven los metales pesados que se encuentran mezclado con los escombros y otros desechos de la mina. Esta mezcla tóxica consume las piedras y se mete dentro del suelo, penetra a las aguas subterráneas y termina en los ríos y lagos. Al comienzo puede haber pocas señas de peligro, pero lentamente los venenos en el agua enferman a la gente, las plantas, peces y animales. El drenaje ácido de mina destruye la vida río abajo por cientos o incluso miles de años. Cualquier mina puede crear drenaje ácido de mina (Casas y col., 2010). Se calcula que más del 70% de las áreas mineras del mundo contienen drenaje acido de minas o aguas residuales contaminadas por metales. Ya que la resultante solución contaminada por los metales es toxica para el medio ambiente, la calidad del agua se encuentra regulada en la mayoría de las jurisdicciones, y los organismos reglamentadores ambientales obligan a las compañías mineras a tratar el agua (Conant & Fadem, 2011). La prevención, limpieza o captura del drenaje ácido de mina es tan costoso y difícil que incluso en países donde existen leyes ambientales estrictas ha afectado miles de kilómetros de ríos (Conant & Fadem, 2011).. 2 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. Figura 1.2: Proceso de contaminación debido al drenaje ácido de mina (DAM) (Conant & Fadem, 2011).. Según las Naciones Unidas, de las 2 500 000 toneladas de plomo que se producen anualmente en todo el mundo, tres cuartas partes sirven para la fabricación de baterías que se utilizan en automóviles, teléfonos, computadoras portátiles y otras industrias. De esas "baterías basura" sólo se recicla un 6%, y queda el restante 94% en poder del mercado informal, lo que genera un peligro latente de contaminación al medio ambiente y a la población (Stepanovic, 2010). Estos elementos poseen dos sustancias peligrosas: el electrolito ácido y el plomo. El primero es corrosivo, tiene alto contenido de plomo disuelto y en forma de partículas, y puede causar quemaduras en la piel y en los ojos. En tanto, el plomo es altamente tóxico para la salud humana, ingresa al organismo por ingestión o inhalación y se transporta por la corriente sanguínea acumulándose en todos los órganos, especialmente en los huesos (Stepanovic, 2010). La exposición prolongada al plomo o envenenamiento con plomo puede provocar la enfermedad llamada saturnismo, trayendo consigo anemia y problemas en el sistema nervioso central, cuyas consecuencias van desde sutiles cambios psicológicos y de comportamiento hasta graves efectos neurológicos. También genera intoxicación a partir de la inhalación. En tanto, la prolongada inhalación de plomo puede provocar desde diarrea, dolores agudos en el abdomen, convulsiones y delirio hasta el estado de coma y fallecimiento. Asimismo, puede perjudicar la formación del feto en las mujeres embarazadas y producir trastornos en los niños, tales como problemas neuropsíquicos (Stepanovic, 2010). Además, existen diferentes tecnologías para el tratamiento de aguas residuales, entre las que se destacan: evaporación, intercambio iónico, recuperación electrolítica, precipitación química acompañada de sedimentación, filtración y flotación con aire disuelto, así como métodos basados en membranas (Romero, 2013). 3 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. Algunos de los procesos más usados son, la flotación de aire disuelto, que clarifica aguas residuales u otras aguas, mediante la remoción de materia suspendida, como aceites o sólidos, disolviendo aire bajo presión. La osmosis y nanofiltración, son tecnologías de membrana. La coagulación–floculación es un método que consiste en la adición de sustancias químicas al agua, la distribución uniforme en ella y la formación de un floc fácilmente sedimentable (Wang y col., 2004). Aunque éstos son métodos disponibles para el tratamiento adecuado de aguas residuales, puede resultar costosa su implementación, por el material utilizado, mantenimiento, etc., además de generar grandes cantidades de lodos.. 1.2. ANTECEDENTES Guadalupe en el año 2017, eliminó Cd2+ a partir de una solución acuosa estandarizada conteniendo sulfato de cadmio octahidratado (3CdSO4.8H2O) y ácido sulfúrico concentrado (H2SO4) simulando un agua contaminada con el ion cadmio. En esta investigación se evaluó la influencia de la densidad de corriente y pH de la solución. Además, usando el método de electrodeposición. Dicha solución constaba de 1.5g de sulfato de cadmio octahidratado (3CdSO4.8H2O) en 1000 ml de agua destilada y ácido sulfúrico para regular el pH. Estudiando variables de 3.0, 3.5, 4.0 y 4.5 mA/cm2 para la densidad de corriente y 2.5, 3.0 y 3.5 para valores de pH. Estos ensayos se realizaron a un valor único de tiempo, siendo de 1 hora para cada ensayo. Obteniendo el mayor porcentaje e eliminación de cadmio divalente, Cd2+; 78.7% con una densidad de corriente de 4.5 mA/cm2 a un pH de solución de 2.5. Concluyendo así que a mayores valores de pH el porcentaje de eliminación de cadmio disminuye. Así mismo, a mayores valores de densidad de corriente aplicada al circuito electrolítico, se logra mayor electrodeposición de cadmio. También se comprobó el estado del cadmio en el proceso, tanto en estado iónico como en estado metálico, esto usando el diagrama de pourbaix del cadmio. Se midió el potencial electroquímico del cadmio en la solución previo ensayo, usando el electrodo de cobre/sulfato de cobre obteniendo -0.759V y al pH de estudio, se comprobó que el cadmio en un estado inicial se encuentra en estado iónico (Cd +2a). Posterior a la electrodeposición se midió el potencial electroquímico con respecto del electrodo de cobre/sulfato de cobre obteniendo -1.98V y con el pH estudiado se comprueba que el cadmio se encuentra en estado metálico. Asegurando así la electrodeposición del cadmio y por ende la eliminación del medio acuoso.. 4 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. Guan y col. en el año 2017, eliminaron níquel a partir de complejos de níquel-amoniaco de aguas residuales mediante la electrooxidación (EO) y una simultánea electrodeposición (ED) para la recuperación del metal. En su sistema combinado usaron RuO2/Ti como ánodo y acero inoxidable como cátodo que simultáneamente lograron la descomplejación del níquel-amoniaco y la recuperación del níquel metálico. Además, analizaron los efectos de la densidad de corriente, pH y la temperatura de reacción en el rendimiento electroquímico. Concluyendo que a densidad de 32 mA/cm2, pH a 9.0 y una temperatura de 60°C, el porcentaje de recuperación de níquel es del 99% y la eficiencia de eliminación de amoniaco de 70%. Además, una combinación de los análisis de SEM-EDX, XRD y XPS para la superficie del cátodo, sirvió para confirmar la generación de deposición del níquel metálico en la superficie del cátodo. Primeramente, los complejos de níquel-amoniaco fueron destruidos por el proceso de electro-oxidación, generando iones Ni2+ y NH3 libre. Luego los iones Ni2+ fueron reducidos sobre el cátodo y el NH3 libre se oxidó. La estabilidad del sistema para el tratamiento de los complejos de níquel-amoniaco fue examinada por experimentos repetidos para quince ciclos sucesivos. El circuito electrolítico constaba de 250 ml de perclorato de sodio como electrolito, los electrodos de RuO2/Ti (70 mm x 40 mm x 0.5 mm) conectado al polo positivo y acero inoxidable al polo negativo, una fuente de corriente continua (CC), y un equipo de agitación magnética. La velocidad de agitación fue de 450 rpm. Para la investigación se usaron variables de densidad de corriente de (8, 16, 24, 32 y 40 mA/cm2), valores de pH (3, 5, 7, 9 y 11), temperatura (20, 40, 60 y 80°C) y a un valor de tiempo de 180 minutos. El pH se ajustó con ácido sulfúrico (0.2 m) para disminuir el pH y una solución de NaOH (0.2 m) para aumentar el pH y así llegar a los valores deseables para la investigación.. Porto y col. en el año 2016, eliminaron níquel a partir de un efluente industrial mediante el proceso de electrodeposición y caracterizaron la aleación obtenida con este metal. Estudiaron las variables independientes de concentración de níquel en el baño, temperatura y densidad de corriente aplicada. La variable de respuesta considerada fue la eficiencia farádica. En la remoción de níquel de las aguas residuales reales, la eficiencia farádica fue de 90% y la remoción de níquel fue de 38.76%, todo esto a una densidad de corriente de 50 mA/cm2, 60°C de temperatura y a una concentración de sulfato de níquel de 0.3 mol/L. El recubrimiento obtenido de las aguas residuales reales se caracterizó por un alto nivel de cristalinidad y pureza. En esta investigación usaron dos baños electrolíticos. El primero un baño electrolítico sintético preparado en laboratorio. Este consistía de tungstato de sodio 5 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. Na2WO4, 0.3 mol/L, sulfato de níquel, NiSO4, 0.1-0.3 mol/L y citrato de amonio, (NH4)2C6H6O7, 0.3 mol/L, que fue usado en el baño como un agente de complejación de Ni. El segundo baño electrolítico fue una muestra de efluente verdadera generada en la joyería de galvanoplastia. La concentración de níquel del efluente fue determinada por espectrofotometría de absorción atómica. Además, simularon diagramas de especiación de níquel y tungsteno usando el software Hydra y Medusa para identificar las diferentes especies en el baño. Estos diagramas se trazaron para la electrodeposición para las concentraciones de especies químicas en la solución iónica. El sustrato usado fue una placa de cobre de 2 cm2 donde inicialmente se desbasto con lijas 220 y 320, luego inmerso en solución de NaOH al 10% para su desengrase y 1% de H2SO4 para la activación de la superficie. La electrodeposición se realizó mediante un electrodo giratorio a una velocidad de 30 rpm, un potenciostato/amperostato, que controlaba la diferencia de potencial eléctrico entre el electrodo de cobre y el contraelectrodo de platino, un baño termostático para el control de temperatura y un pH-metro. El rango de densidad de corriente usado fue de 10 a 50 mA/cm2 y una temperatura entre 25 a 60°C y un pH de la solución de 6.. Arévalo en el año 2016, eliminó arsénico (III) de efluentes artificiales mediante el proceso de electrocoagulación. En esta investigación se evaluó la influencia del tiempo de residencia de una solución artificial de arsénico y la densidad de corriente aplicada. Usando ánodos de aluminio serie AA-1050 y cátodos de acero ASTM A-36 de 5 x 5 x 0.2 cm. Se mantuvo constante la relación de áreas de electrodos, velocidad de agitación, pH inicial. Concluyendo así que el incremento del tiempo de residencia y la densidad de corriente aplicada incrementan el porcentaje de reducción de arsénico en la solución. Siendo el mayor porcentaje de reducción de 99.20% en un tiempo de residencia de 45 minutos y a una densidad de corriente de 40 mA/cm2. Además, se observó un aumento del valor de pH de la solución y la mayor velocidad de reducción se logró en los primeros 15 minutos en todos los niveles de densidad de corriente aplicada. Hernández y Pingo en el año 2014, eliminaron Zn2+ del residuo sólido soluble de pilas le chanché desechadas, mediante el proceso de electrodeposición. Donde lograron eliminar hasta el 99.5% del Zn2+ presente en el sólido soluble a una densidad de corriente de 600 A/m2 y un pH inicial de 3.00.. 6 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. Gil en el año 2012, eliminó mediante electrodeposición los elementos de Cr (VI) y Ag (I) presentes en soluciones sintéticas elaborados con dicromato de potasio (150 mg/L) y nitrato de plata (50 mg/L). Usando en el circuito cátodos de Cu y ánodos de Zn con un área de deposición de 100 cm2. Evaluando parámetros como pH y tiempo, encontrándose que es posible alcanzar porcentajes de remoción para el Cr (VI) de 95% con pH a 0.5 y tiempo de 3 horas. Mientras que para la Ag (I) la remoción es hasta de 29% con pH a 2.0 y en un tiempo de 30 min. Además, para la muestra de los residuos líquidos peligrosos que contienen cromo (VI) se obtuvo una eficiencia de remoción del 95%, a diferencia con las muestras de plata (I), se obtuvo una eficiencia de 34%, debido a que se generó precipitado como subproducto de la electrodeposición. Las dimensiones de los electrodos fueron de 10 cm x 10 cm y con espesor despreciable para el proceso de electrodeposición teniendo así un área de 100 cm2. Estos electrodos se ubicaron a 15 cm de separación dentro de la celda. La limpieza de los electrodos se realizó con un lavado de superficie con jabón y agua, seguida de una inmersión en ácido sulfúrico diluido antes del tratamiento. Changsheng y col. en el año 2011, estudiaron el tratamiento de aguas residuales contaminadas con cobre mediante el proceso de electrolisis y electrodiálisis, obteniendo como resultados 82%, a altas concentraciones (HCW, >400 mg/L) a condiciones óptimas de voltaje 2.5 V/cm y flujo de agua 4 L/h, y 50%, a bajas concentraciones (LCW, <200 mg/L) a condiciones óptimas de voltaje 40 V y flujo de agua 4 L/h, de recuperación de cobre respectivamente.. Loiácono y col. en el año 2005, eliminó Cu a partir de soluciones sintéticas y efluentes industriales con alto contenido de Cu, usando como ánodo el acero AISI 316, NiCrom y cátodos de grafito rellenos de coque de petróleo. Usó los electrodos de lecho fluidizados ya que proveen una gran área superficial específica, permitiendo una elevada conductividad del electrolito y la cinética de la reacción química permita preveer una buena tasa de utilización de electrodo. Todas las soluciones sintéticas que trabajarán como electrolitos estaban compuestas con CuI, H2SO4 y etanol a diferentes concentraciones, además de un efluente de una industria que también contenían dichos compuestos. Se realizaron dos tipos de sistemas: estático y dinámico. Obteniendo el mayor porcentaje de eliminación de Cu, 80% y la menor de 50%, usando una corriente de 0.04A y con pH menores a 2 en todos los ensayos. La concentración inicial del efluente era de 1.5gCu/L. Los tiempos evaluados están entre los 30 y 300 min. 7 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) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Elsherief en el año 2003, eliminó cadmio (Cd) a partir de soluciones de sulfato diluido, esto fue estudiando en una celda convencional de tres electrodos y usando electrodos de carbón vidrioso giratorio y acero espiral. Las curvas de polarización proporcionaron la información sobre la reducción electrolítica del cadmio, así como las densidades respectivas. La celda fue operada en un proceso bath de recirculación continua ya que era muy eficaz en la reducción de concentraciones del metal. El cadmio recuperado fue del 30% a 250 mA/cm2 y aumenta gradualmente a 99.99% a 400 mA/cm2.. 8 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. 1.3. FUNDAMENTO TEÓRICO. Se llaman metales pesados a aquellos metales que causan un impacto ambiental debido a su toxicidad y cuya propiedad principal es tener una densidad aproximadamente superior a 6.0 g/cm3 exceptuando al Ti (Titanio) (4.5 g/cm3) pero también considerado como metal pesado y al As, que, aunque es un no metal, presenta una alta densidad de 5.7 g/cm 3, por lo que se considera un metal pesado, además de otras propiedades de carácter ambiental (Baird, 2001; Domenech & Peral, 2008; O’Connell y col., 2008).. La implementación de metales en los procesos industriales ha permitido que grandes concentraciones de metales pesados potencialmente tóxicos sean emitidas a la atmósfera y vertidos en los ambientes acuáticos y terrestres. (Fu & wang, 2011. O’Connell y col., 2008) A la hidrósfera, cantidades cercanas a 109 Kg/año de metales traza se han vertido, siendo las aguas residuales de origen domésticas, las plantas térmicas, las fundiciones, las acerías y la minería, las principales fuentes de emisión (Tabla 1.1); el orden de flujos de emisión o cargas contaminantes de metales a la hidrosfera corresponde a Mn > Zn > Cr > Pb (Plomo) > Ni ≈ Cu > Se (Selenio) ≈ As (Arsénico) > Sb (Antimonio) > V ≈ Mo ≈ Cd (Cadmio) > Hg (Mercurio) (Domenech & Peral, 2008).. En la industria los metales pesados son utilizados en una diversidad de procesos industriales como automotriz, electrodoméstica, aeronáutica, mobiliario metálico, decoración, arquitectura metálica, eléctrica y electrónica. También, la minería aporta gran cantidad de metales que pueden incorporarse a cuerpos de agua en forma de compuestos insolubles o como iones, dependiendo del pH (Manahan, 1991).. En Perú la mayoría de estas industrias vierten las aguas industriales residuales directamente a fuentes de agua tales como ríos, lagos, lagunas y el mar sin previo tratamiento de las mismas, contaminándolas y generando un riesgo a la población que utiliza estos recursos hídricos para actividades de riego en la producción agrícola, uso doméstico en el hogar y en algunas comunidades como fuente de agua potable, con efectos negativos en el ambiente y la salud de las personas por su capacidad de bioacumularse pudiendo ocasionar intoxicaciones crónicas y agudas (Domenech & Peral, 2008).. 9 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. Tabla 1.1: Principales actividades industriales generadoras de metales pesados y presencia de plomo (Domenech & Peral, 2008). Industria Minería de metales Extracción de. Metales. Contaminación derivada. Cd, Cu, Ni, Cr, Co, Pb, Zn Drenaje ácido de mina, relaves, escombreras.. As, Cd, Cu, Ni, Pb, Zn. Presencia en las menas como en los subproductos.. Fundición. As, Cd, Pb, Tl. Procesado del mineral para obtención de metales.. Metalúrgica. Cr, Cu, Mn, Pb, Sb, Zn. Procesado térmico de metales.. Aleaciones y. Pb, Mo, Ni, Cu, Cd, As, Fabricación, eliminación y reciclaje de metales.. aceros. Te, U, Zn. minerales. Gestión de Residuos Corrosión metálica Pinturas y pigmentos Baterías. Relaves y escoriales.. Fe, Cr, Pb, Ni, Cr, Hg, Mn Incineración de residuos o en lixiviados.. Fe, Cr, Pb, Ni, Co, Zn. Pb, Cr, As, Ti, Ba, Zn. Pb, Sb, Zn, Cd, Ni, Hg. Electrónica. Inestabilidad de los metales expuestos al medio ambiente. Residuos acuosos procedentes de la fabricación y el deterioro de la pintura vieja. Fluido de la pila de residuos, la contaminación del suelo y las aguas subterráneas.. Pb, Cd, Hg, Pt, Au, Cr, As, Residuos metálicos acuosa y sólida desde el Ni, Mn. proceso de fabricación y reciclaje.. Agricultura y. Cd, Cr, Mo, Pb, U, V, Zn, Contaminación de escorrentía, aguas superficiales. ganadería. As, Mn, Cu. y subterráneas, la bioacumulación planta.. En la Tabla 1.2, se muestran algunas concentraciones de efluentes industriales sin previo tratamiento. Otro estudio sobre tratamiento de riles del sector minero-metalúrgico y reutilización de aguas encontraron otras mediciones de concentraciones para la región de Atacama en Chile, como se muestra en la Tabla 1.3.. Tabla 1.2: Concentraciones típicas de algunos metales en efluentes industriales sin tratamiento (Loiácono y col., 2005). Metal. Concentración (mg/L). Metal. Concentración (mg/L). Cobre. 500-950. Oro. 10-50. Plomo. 100-250. Plata. 20-100. Níquel. 50-350 10. 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. Tabla 1.3: Características de las aguas residuales de circuitos de flotación de minerales en mg/L (Santander y col., 2011). Iones. Concentración. Iones. Concentración. Ag+1. 0.02-0.1. Al+3. 10-2500. Cd+2. 0.05-17. Mo+4(MoO4)-2. 0.05-5. Cr+3. 0.03-40. Zn+2. 0.02-3000. Pb+2. 0.01-560. SO4. 5-12500. Mn+2. 0.007-570. CN-1. 0.01-0.45. Fe+3. 15-3000. 1.3.1. Efluentes mineros. Los efluentes líquidos mineros tienen su origen en la manipulación de los productos mineros con agua o soluciones químicas. Por ejemplo, durante los procesos de concentración por vía húmeda o por el empleo del agua para lavar instalaciones mineras. A esto se tiene que sumar las interacciones naturales que se produce entre los productos mineros y las aguas superficiales o de lluvia. Por ejemplo, la lluvia cae sobre las escombreras, infiltrándose en las mismas, generado procesos de oxidación, hidrólisis, lavado, etc. Los efluentes líquidos más importante en minería son: Drenajes ácidos de mina, Relaves de los procesos de concentración, aguas infiltradas a través de la roca mineralizada, sus contaminantes asociados a estos procesos comprenden iones de metales, sulfatos, compuestos de cianuros y /u otros componentes inorgánicos (Buezo, 2005).. a.. Drenaje Ácido de Mina (DAM). Estos drenajes son tóxicos en diverso grado para el hombre, fauna y flora ya que contienen metales disueltos y constituyentes orgánicos solubles e insolubles, que generalmente proceden de labores mineras, procesos de concentración de minerales, presas de residuos y escombreras de mina. Existen reportes de la muerte de miles de peces y crustáceos de ríos, afecciones ha ganado y destrucción de cultivos y riveras, así como la introducción de una coloración y turbiedad en aguas de ríos y lagos (Aduvire y col., 2000).. 11 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) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Las explotaciones mineras provocan ciertos efectos hidrológicos sobre las aguas subterráneas o superficiales, tales como:  Disminución de la calidad del agua, haciéndola inadecuada para el consumo humano y otros usos.  Causar daños ecológicos, alterando o eliminando las comunidades biológicas naturales existentes en los cursos de agua.  Deterioro del paisaje, por lo que la restauración de las áreas afectadas debe abarcar todos los elementos del medio físico incluido en aguas (Aduvire y col., 1997). Los drenajes ácidos de mina, contienen una gran cantidad de sólidos en suspensión y un alto contenido en sulfato y metales pesados disueltos (Fe2+, Al3+, Mn2+, Zn2+, Cu2+, Pb2+, etc.), alcanzando concentraciones de decenas y centenas de miligramos por litro. Estos elementos en esas concentraciones son nocivos para la actividad biológica, contaminan los cauces, y además esas aguas pueden llegar a dañar la estructura y la cimentación de construcciones (López y col., 2002). 1.3.2. Límites máximos permisibles para efluentes líquidos. Tabla 1.4: Límites máximos permisibles para la descarga de efluentes líquidos de actividades minero – metalúrgicos (Legislación Ambiental del ministerio del ambiente, 2010).. (*) En muestra no filtrada Los valores indicados en la columna “Límite en cualquier momento” son aplicables a cualquier muestra colectada por el Titular Minero, el Ente Fiscalizador o la Autoridad 12 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. Competente, siempre que el muestreo y análisis hayan sido realizados de conformidad con el Protocolo de Monitoreo de Aguas y Efluentes del Ministerio de Energía y Minas; en este Protocolo se establecerán entre otros aspectos, los niveles de precisión, exactitud y límites de detección del método utilizado. Los valores indicados en la columna “Promedio anual” se aplican al promedio aritmético de todas las muestras colectadas durante el último año calendario previo a la fecha de referencia, incluyendo las muestras recolectadas por el Titular Minero y por el Ente Fiscalizador siempre que éstas hayan sido recolectadas y analizadas de conformidad con el Protocolo de Monitoreo de Aguas y Efluentes del Ministerio de Energía y Minas (Legislación Ambiental del ministerio del ambiente, 2010).. 1.3.3. Electrodeposición. En la electrodeposición se presenta una disociación de los átomos de una solución que se da por medio de la electricidad, en donde el electrolito es la solución que se va a someter a la disociación electrolítica, los cuales se disocian en mayor o menor amplitud como partículas cargadas eléctricamente, denominados iones. Estos átomos o grupo de átomos, pasan al estado de iones cargados negativamente (aniones), si gana uno o más electrones, pero se considera que un átomo pasa al estado de ion cargado positivamente (cationes), si este pierde uno o más electrones.. Un proceso de electrodeposición se basa en una reacción electroquímica denominada electrolisis que consiste en la descomposición de sustancias químicas en solución, conductoras de la corriente eléctrica, esta descomposición se lleva a cabo mediante reacciones de óxido reducción.. Cuando a una disolución de una especie oxidante se le adiciona un reductor, se produce una reacción química redox (Ecuación 1): 𝑂𝑥1 + 𝑅𝑒𝑑2 ↔ 𝑅𝑒𝑑1 + 𝑂𝑥2. (1). Si en lugar de adicionar un reductor, en la disolución se introduce un conductor y este cede electrones a la disolución, tiene lugar una reacción electroquímica, donde el cátodo 13 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. es el electrodo que cede electrones a la disolución produciendo la reducción de la especie electroquímica y el ánodo es el electrodo que toma electrones originando la oxidación anódica (Ecuaciones 2 y 3). Reducción Catódica: 𝑂𝑥1 + 𝑛𝑒 ↔ 𝑅𝑒𝑑1. (2). Oxidación Anódica: 𝑅𝑒𝑑1 − 𝑛𝑒 ↔ 𝑂𝑥1. (3). Al conductor se le denomina electrodo y al recipiente que contiene la disolución, celda electroquímica.. Se sabe que la electrodeposición, postulada por Faraday, tiene su fundamento en el fenómeno de electrólisis que procede cuando se hace pasar una corriente directa de electricidad entre electrodos sumergidos en una solución que contiene iones del metal en estudio. Como resultado se tiene que los metales en su forma iónica migraran hacia el cátodo o electrodo negativo. La parte no metálica del electrolito, también en forma de iones, migrará a su vez hacia el ánodo o electrodo positivo (Ospina y Ruiz, 1987).. Figura 1.3: Proceso de electrodeposición (Ospina y Ruiz, 1987).. Un baño de recubrimiento electrolítico consiste de un ánodo y un cátodo en un electrolito, que normalmente es una solución de la sal del metal que se pretende aplicar. En el electrolito, el metal está presente en forma de iones, el flujo de electrones es proporcionado por una fuente externa de corriente continua. La pieza a recubrir se convierte en cátodo donde se lleva a cabo la reducción de los iones a metal. La oxidación se lleva a cabo en el ánodo; cuando fluye la corriente, el ánodo se disuelve. Los baños ácidos de recubrimiento 14 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. electrolítico contienen sulfatos, cloruros, fluoroboratos y/o sulfatos de los metales a depositar (Sillos, 2003).. En una celda de electrodeposición de iones intervienen muchas variables experimentales que influyen en la eficiencia del proceso y en la composición, morfología y propiedades de los depósitos metálicos. Entre ellas destacan la densidad de corriente, la temperatura, el pH, la composición del electrolito (iones metálicos, electrolito soporte, disolvente, etc.) la presencia de aditivos, la agitación del electrolito, la disposición y estado superficial de los electrodos y otros parámetros adicionales que hacen que el estudio y el control de este tipo de procesos sea complejo (Dini, 1993).. Figura 1.4: Variables de celda que intervienen en la electrodeposición (Molina, 2013).. 1.3.4. Ventajas de Tratamiento Electroquímico. Las técnicas electroquímicas empleadas para el tratamiento de contaminantes industriales muestran un buen grado de competencia con otros métodos de tratamiento (biológicos, fotoquímicos, etc.). Algunas de estas ventajas comparativas son:. 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/.

(31) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. - Compatibilidad ambiental: si se diseña adecuadamente el proceso electroquímico es posible convertir los compuestos tóxicos en productos de bajo, o nulo, impacto ambiental y el diseño de reactores más eficientes. También se la considera una tecnología limpia y ecológica en el sentido que utiliza como reactivo principalmente al electrón y al evitar la emisión de gases, sulfuros y partículas metálicas, lo cual es de gran aplicabilidad en aguas residuales. - Versatilidad: es posible utilizar un mismo sistema de tratamiento para eliminar distintos compuestos tóxicos sin mayores cambios en los diseños ni en los electrodos empleados. - Eficiencia de energía: si se controlan las reacciones competitivas (empleando electrodos con adecuada actividad catalítica), es posible lograr altas eficiencias en la energía eléctrica empleada (Coeuret, 1992). - Seguridad: inherente al tratamiento electroquímico es la seguridad con que puede utilizarse el mismo, desde el momento que no es necesario almacenar ni utilizar reactivos tóxicos, ya que en la mayoría de los casos este se genera en el mismo sitio del tratamiento. - Selectividad: la posibilidad de controlar el potencial del electrodo de trabajo, ánodo o cátodo, permite seleccionar la reacción electroquímica deseada. - Automatización: si el tratamiento se va a emplear rutinariamente para un determinado tipo de residuo, es factible automatizar totalmente el proceso con la posibilidad actual de adquirir y procesar datos experimentales en tiempo real. - Económica: es importante resaltar que no se trata de una tecnología costosa, sin embargo, es esencial emplear un diseño apropiado del reactor; ya que el voltaje es directamente proporcional al costo energético y puede variar por factores como el diseño de la celda electrolítica, la conductividad de la solución, los materiales de los electrodos, la distancia entre electrodos y la optimización de los parámetros de funcionamiento, para conseguir que esta tecnología sea competitiva con otras equivalentes (Coeuret, 1992). 1.3.5. Ley de Faraday. La masa depositada en el cátodo se establece por la ecuación de Faraday que permite el cálculo teórico de la masa electro-depositada, considerando que toda la corriente aplicada se utiliza sólo en esta reacción (es decir, eficiencia de corriente de 100%). La velocidad de deposición estará controlada por el equivalente químico del metal que se deposita. Para las mismas condiciones de proceso la cantidad en peso de un metal depositado será diferente. 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/.

(32) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. cuando varíe dicho equivalente, pues para una misma cantidad de electricidad el peso de un elemento liberado es proporcional a éste (Alvarado y col., 2010).. 𝑊=. 𝑖∗𝑡∗𝑀 𝑛𝐹. Donde, W = masa depositada (g). i = densidad de corriente (mA/cm2). M = peso atómico del metal (g/mol) t = tiempo (s). n = estado de oxidación, valencia. F = constante de Faraday (96500 C/mol). El proceso de electrodeposición se aplica en las minas para el refinamiento del plomo, este refinado electrolítico se da mediante el proceso Betts. Este es un proceso industrial para la purificación de plomo a partir de lingotes. El plomo obtenido a partir de sus menas es bastante impuro porque el plomo es un buen disolvente para muchos metales. A menudo, estas impurezas son toleradas, pero el proceso electrolítico Betts se utiliza cuando se requiere plomo de alta pureza, especialmente libre de bismuto (Sutherland y col., 2005).. El electrolito para este proceso es una mezcla de fluorosilicato de plomo (PbSiF6) y ácido hexafluorosilícico (H2SiF6) que opera a 45 °C. Los cátodos son hojas delgadas de plomo puro y los ánodos son emitidos desde el plomo impuro a purificar. Se aplica un potencial de 0.5 voltios. En el ánodo, el plomo se disuelve en la disolución, al igual que las impurezas de metales que son menos nobles que el plomo. Las impurezas que son más nobles que el plomo, tales como plata, oro y bismuto, forman copos desde el ánodo a medida que se disuelve y se depositan en el fondo de la vasija como "lodo anódico." El plomo se deposita en las placas de plomo metálico en el cátodo, los metales menos nobles permanecen en la solución. Debido al alto coste del electrólisis, este proceso se utiliza sólo cuando se necesita plomo de alta pureza (Samans, 1949; Gardner, 2008).. 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/.

(33) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.4. PROBLEMA. ¿Cuál es la influencia de la densidad de corriente y tiempo sobre el porcentaje de eliminación de plomo de solución acuosa contaminada usando el proceso de electrodeposición? Densidad de corriente (i) Tiempo (min) Solución acuosa contaminada con plomo. ELECTRODEPOSICIÓN. % de Eliminación de plomo. Figura 1.5: Esquema del problema de investigación.. 1.5. HIPÓTESIS. Con el incremento de la densidad de corriente y tiempo de electrodeposición de la solución acuosa contaminada con plomo, el porcentaje de eliminación de plomo será mayor.. 1.6. OBJETIVOS. 1.6.1. Objetivo general. Evaluar la influencia de la densidad de corriente y tiempo de electrodeposición sobre el porcentaje de eliminación de plomo en solución acuosa contaminada con plomo.. 1.6.2. Objetivos específicos  Determinar el valor óptimo de densidad de corriente para obtener el mayor porcentaje de eliminación de plomo.  Determinar el valor óptimo de tiempo para obtener el mayor porcentaje de eliminación de plomo.  Determinar que variable independiente influye más en el porcentaje de eliminación de plomo. 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/.

(34) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. 1.7. IMPORTANCIA  Se pretende aportar a la comunidad científica y tecnológica, el estudio del efecto que tiene la densidad de corriente y los rangos de tiempo sobre el porcentaje de eliminación del plomo, presente en soluciones acuosas contaminadas, utilizando el método de electrodeposición. Siendo este un proceso barato y factible para realizar por empresas mineras como también de las industrias de baterías y reciclaje; brindando así los datos apropiados capaces de eliminar estos elementos en soluciones acuosas contaminadas, que permitan lograr parámetros operativos y ser llevados a la práctica industrial, logrando mejorar la calidad de agua, y por ende la calidad de vida dentro de la naturaleza que lo rodee; dado que el plomo siendo uno de los iones muy tóxicos, a las elevadas concentraciones en efluentes mineros líquidos y el vertido excesivo del mismo, causan problemas ecológicos, estructurales y de salud.  Además, el desarrollo de procesos electroquímicos para el reciclado y la recuperación de metales (Pb, Al, Zn, Ni Mn, etc) permite obtener metales con una gran pureza y supone una alternativa más ecológica a la pirometalurgia clásica, pues evita la emisión de gases, sulfuros y partículas metálicas.. 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/.

(35) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. II. MATERIALES Y MÉTODOS 2.1. MATERIALES DE ESTUDIO. 2.1.1. Universo Objetivo Solución acuosa contaminada con iones plomo (Pb2+). 2.1.2. Población o Universo Muestral. El universo muestral está constituido por la solución acuosa contaminada con iones plomo elaborado en el Laboratorio de Corrosión y Degradación de materiales.. 2.1.3. Muestra o Población de Estudio. 36 porciones de 500 mL de soluciones acuosa contaminadas con iones plomo con una concentración de 1563.95 ppm.. 500ml 2+. 1563.95 ppm Pb. Figura 2.1: Capacidad de la solución acuosa contaminada con iones plomo.. 2.2. MÉTODOS. 2.2.1. Diseño de Investigación. Se aplicó el diseño experimental tipo bifactorial donde las variables en estudio se muestran en la Tabla 2.1.. 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/.

(36) BIBLIOTECA DIGITAL - DIRECCIÓN DE SISTEMAS DE INFORMÁTICA Y COMUNICACIÓN. Tabla 2.1: Niveles de variables de estudio. VARIABLE INDEPENDIENTE. NIVELES DE ESTUDIO. A. Densidad de corriente (mA/cm2). 3.0; 3.5; 4.0; 4.5. B. Tiempo (min). 30; 60; 90 Porcentaje de eliminación de. VARIABLE DEPENDIENTE. Pb2+ (%). La matriz de diseño según el diseño experimental bifactorial a utilizar se presenta en la Tabla 2.2.. Tabla 2.2: Diseño de la matriz experimental. FACTOR A. A B b1 FACTOR B. b2. b3. a1. a2. a3. a4. (a1 b1)1 (a1 b1)2 (a1 b1)3 (a1 b2)1 (a1 b2)2 (a1 b2)3 (a1 b3)1 (a1 b3)2 (a1 b3)3. (a2 b1)1 (a2 b1)2 (a2 b1)3 (a2 b2)1 (a2 b2)2 (a2 b2)3 (a2 b3)1 (a2 b3)2 (a2 b3)3. (a3 b1)1 (a3 b1)2 (a3 b1)3 (a3 b2)1 (a3 b2)2 (a3 b2)3 (a3 b3)1 (a3 b3)2 (a3 b3)3. (a4 b1)1 (a4 b1)2 (a4 b1)3 (a4 b2)1 (a4 b2)2 (a4 b2)3 (a4 b3)1 (a4 b3)2 (a4 b3)3. Número total de pruebas: [(Nº Niveles de A)*(Nº Niveles de B)*(N° de réplicas)] = [(4)*(3)*(3)] = 36. 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/.