CAPITULO II PARTE EXPERIMENTAL
1.4. ELECTROQUÍMICA 1. Procesos Electroquímicos
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Metales Pesados
Vestigios de muchos metales tales como el níquel (Ni), manganeso (Mn), plomo (Pb), cromo (Cr), aluminio (Al), Arsenio (As), cobre (Cu), Hiero (Fe) y mercurio (Hg), son importantes contribuyentes de muchas aguas. La presencia de cualquiera de los metales citados en cantidades excesivas interfieren con muchos usos provechosos del agua dada su toxicidad; por tanto, conviene casi siempre medir y controlar las concentraciones de dicho metales.
1.4. ELECTROQUÍMICA
42 En este último caso se evita manipular agentes oxidantes. Entre las aplicaciones de la oxidación directa cabe destacar el tratamiento de cianuros, colorantes compuestos orgánicos tóxicos (en algunos ocasiones haciéndolos más biodegradables), incluso la oxidación de Cr (III) a Cr (VI), mas toxico pero de esta forma puede ser utilizado. En rango de concentraciones con posibilidades de utilizar este tipo de tratamiento también es muy amplio. (Cayllahua & Ricse, 2007)
1.4.1.2.Reducción en Cátodo
La principal aplicación de esta posibilidad es la reducción de metales tóxicos. Se ha utilizado en situaciones, no poco frecuentes de reducción de metales catiónicos desde varios miles de partes por millón de concentración hasta valores incluso por debajo de los LMP. Hay una primera etapa de deposición del metal sobre la superficie del cátodo que ha de continuarse con la remoción del mismo. Esto se puede hacer por raspado, disolución en otra fase, etc.
(Cayllahua & Ricse, 2007).
1.4.1.3.Tecnologías Electroquímicas
Además de las ya mencionadas tecnologías aparecen numerosas citas que hacen referencias al uso de técnicas como: electro oxidación, electrolisis, electrocoagulación, electroflotación, electro adsorción, etc. Debido que los tratamientos electroquímicos implica una etapa de electrolisis, estos se pueden agrupar en funciones del tipo de eliminación que se produce.
(Huerga, 2005)
43 Figura 1.2: Tecnologías Electroquímica
Fuente: Elaboración Propia.
1.4.2. Electrocoagulación
La electrocoagulación es una técnica utilizada para el tratamiento de agua potable y agua residuales. Los contaminantes de muy diversos efluentes son removidos aplicando el principio de coagulación, pero en este caso no se hace uso de un coagulante químico (cuya función es llevada a cabo por corriente eléctrica que es aplicada al medio líquido contaminado, como se muestra en la figura1.3. Definir la electrocoagulación como un proceso en el cual son desestabilizadas las partículas de contaminantes que se encuentran suspendidas, emulsionadas o disueltas en un medio acuoso, induciendo corriente eléctrica en el agua a través de placas metálicas paralelas de diversos materiales, siendo el hierro y el aluminio los más utilizados.
La corriente eléctrica proporciona la fuerza electromotriz que provoca una serie de reacciones químicas, cuyo resultado final es la estabilidad de las moléculas contaminantes.
Por lo general este estado estable produce partículas sólidas menos coloidales y menos emulsionadas o solubles. Cuando esto ocurre, los contaminantes forman componentes hidrofóbicos que se precipitan o flotan, facilitando su remoción por algún método de separación secundario. Los iones metálicos se liberan y dispersan en el medio líquido y
44 tienden a formar óxidos metálicos que atraen eléctricamente a los contaminantes que han sido desestabilizados. (Restrepo & Arango, 2006)
Figura1.3: Sistema de electrocoagulación Fuente: Restrepo & Arango, 2006 1.4.3. Historia y Evolución de la Electrocoagulación
La electroquímica nace a finales del siglo XVIII con los trabajos de Galvani y Volta, y ha tenido desarrollos y aplicaciones en múltiples áreas. Podemos mencionar su uso en el arranque de los motores de los automóviles, en procesos de síntesis química y métodos para la eliminación de la contaminación.
La electrocoagulación ha sido una tecnología emergente desde 1906, con la primera patente concedida en Estados Unidos. Problemas de tipo financiero o de regulación de incentivos generaron tropiezos para que la industria adoptara esta técnica, pero se conocen desarrollos anteriores. Desde el siglo XIX, exactamente en 1888, se efectuó el primer ensayo reportado en Londres por Webster. Su proceso utilizaba ánodos de hierro soluble, con una caída de potencial de 1.8 vatios entre los electrodos, distantes una pulgada, y una corriente anódica de 0.6 Amp/pie2.
En 1893, Wolff electrolizó una solución concentrada de sal para producir cloro y soda cáustica, que utilizaba para esterilizar aguas negras en Brewster, NY.11 En 1896 se usó en
45 Lousville, Kentucky, una modificación del proceso de Webster para coagular agua cenagosa del río Ohio, proceso en el que se utilizaron ánodos de hierro y aluminio. En 1908 el procesoWebster se utilizó en Santa Mónica, con reducciones de 40% de materia orgánica.
En 1914 se utilizó en New York una modificación del proceso Webster llamado Landreth.
En éste se añade cal para mejorar la conductividad del electrolito. En 1932 fue utilizada la electrocoagulación en Alemania, con eficiencias del 50% en reducción de la DBO de aguas residuales. La falla de estos procesos se dio por el alto costo de la energía y la necesidad de recambiar los electrodos.
Durante las dos últimas décadas se han reportado trabajos en donde se utiliza el proceso para remover partículas dispersas de aceite, grasa y petróleo en el tratamiento de aguas residuales provenientes de procesos de electroplateado, textiles y en procesos de potabilización del agua misma, entre otros. (Restrepo & Arango, 2006)
1.4.4. Fundamento Teórico de la Electrocoagulación
El fundamento teórico de la electrocoagulación consiste en que la precipitación se lleve a cabo al mismo tiempo que la desestabilización; en cambio, la coagulación química consiste en la formación de lodos debido a la unión que forma masas de tamaños considerables, para luego repararlas del agua mediante la adición de más químicos como el sulfato de aluminio y el cloruro férrico, entre otros. Las masas se forman por el contacto, este se logra principalmente por el movimiento del líquido, debido a fenómenos eléctricos, como la presencia de carga opuesta a la acción de hidrógenos y otros. (Global, 2005)
Es importante mencionar que el agua sometida a una electrolisis se ve favorecido por la presencia de sales en disolución, que posibilitan la conducción de electricidad, debido a esto se produce un desprendimiento de hidrogeno y oxigeno gaseoso en sus respectivos electrodos, estos gases al ascender a la superficie provocan tres fenómenos:
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Separación rápida del electrodo, que evita que se ensucie.
Arrastre de solidos desestabilizados a la superficie, los cuales forman una nata que posibilita una extracción por sedimentación clásica o por flotación.
Debido a las burbujas de gas se producen corrientes ascendentes y descendentes de la solución que ocasionan una mejor superficie de contactos y provocan un aumento en la eficiencia de desestabilización. (García, 2010)
El agua en la celda electrolítica (solución dieléctrica) está sometida a una electrolisis, la cual se ve favorecida por la presencia de sales en la disolución, que posibilitan la conducción de electricidad y que esta presentes en todas las aguas servidas e industriales. Esta conducción eléctrica se cuantifica a través de la ley de Ohm, que señala, “cuando una corriente eléctrica atraviesa un conductor, crea en este una diferencia de potencial proporcional a la corriente”.
A esta constante se le llama resistencia, la cual se mide en Ohm, según la siguiente relación:
𝑽 = 𝑰 × 𝑹
Dónde:
V: Voltaje del proceso.
I: Intensidad de la corriente que circula.
R: Resistencia que ofrece los electrolitos dentro de la celda.
Todos los fenómenos que ocurren dentro de la celda electrolítica se representan en forma general a través de la siguiente reacción redox: (Global, 2005)
𝐴𝑛𝑜𝑑𝑜: 𝑀0(𝑠) − − − − − −→ 𝑀+𝑛(𝑎𝑞)+ 3𝑒− 𝐴𝑛𝑜𝑑𝑜: 2𝐻2𝑂 − − − − − −→ 4𝐻++ 𝑂2 (𝑔)+ 4𝑒− 𝐶𝑎𝑡𝑜𝑑𝑜: 2𝐻2𝑂 + 2𝑒− − − − − − −→ 𝐻2 (𝑔)+ 2 𝑂𝐻_
𝑀0(𝑠)+ 2𝐻2𝑂(𝑎𝑞) − − − − − −→ 𝑀(𝑂𝐻)𝑛+ 3/2 𝐻2(𝑔)
47 1.4.5. Procesos Electroquímicos
La aplicación de un potencial electrolítico da lugar a las reacciones de oxidación y reducción sobre las superficies de los ánodos y cátodos, respectivamente.
1.4.5.1.Reacciones En Los Ánodos A. Solubilizarían de los Ánodos
Cuando los ánodos están constituidos por metales tales como Al o Fe se produce la disolución de los mismos en forma de cationes. Los electrones liberados circulan por el conductor metálico hacia el cátodo donde esperan a ser incorporados a otras especies cercanas a la superficie del mismo. Esta reacción puede representar hasta un 90% de la corriente total circulante. El otro 10 % corresponde a las especies cloradas, O2 procedentes de las electrolisis del agua y al a oxidación electroquímica de los propios contaminantes del efluente. Los cationes liberados ejercen su función como coagulante, interaccionando directamente con las propias condiciones del medio y con los contaminantes presentes en el mismo. El mecanismo del proceso de coagulación presenta algunas diferencias respecto al que tiene lugar cuando se trata de la adicción de sales. La presencia de un campo eléctrico, la acidez extrema sobre la interface ánodo-efluente, la hidráulica del sistema y la ausencia del ion sulfato (presente mayoritariamente cuando se trata de coagulantes químicos) son las causas principales de estas diferencias. (Kovalenko, 1987)