UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA
EVALUACIÓN DE LA TENSIÓN DE CORRIENTE, TIEMPO DE CONTACTO Y DISTANCIA DE ELECTRODOS EN LA REDUCCIÓN DE MATERIA ORGÁNICA DE AGUAS PARA
REGADÍO POR ELECTROCOAGULACIÓN
Tesis
Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico Presentado por:
Yoselin L. Cangalaya Gonzales Yoselyn M. Simeon Nuñez
HUANCAYO - PERU 2019
TITULO
EVALUACIÓN DE LA TENSIÓN DE CORRIENTE, TIEMPO DE CONTACTO Y DISTANCIA DE ELECTRODOS EN LA REDUCCIÓN DE MATERIA ORGÁNICA DE AGUAS PARA
REGADÍO POR ELECTROCOAGULACIÓN
NOMBRE DEL ASESOR Ms. Henrry Raúl Ochoa León
DEDICATORIA
Dedico esta tesis a mis padres Lourdes Gonzales y Luis Cangalaya quienes siempre me han brindado su apoyo incondicional durante el desarrollo de mi carrera profesional y a mi hermano Jose quien con sus ocurrencias me inspira a ser una mejor persona. Gracias por inculcar en mí, el no temer a las adversidades porque Dios está conmigo siempre.
Yoselin L. Cangalaya Gonzales
A mis padres, Claudio Simeon Nuñez e Irma Nuñez Oré que me apoyaron incondicionalmente, que me impulsaron a ser mejor persona y se esforzaron por mí, para ser una buena profesional. A mi hermano Percy por sus enseñanzas y motivación a lograr mis metas, a mi hermana Emelyn por confiar en mí y tomarme como un ejemplo a seguir. Ustedes son mi fuerza, a ustedes con todo el amor que tengo, les dedico mi trabajo.
Yoselyn M. Simeon Nuñez
AGRADECIMIENTO
Agradecemos a Dios por brindarnos la vida y la oportunidad de desarrollar y culminar este gran paso, guiando nuestros caminos para ser hoy personas de éxito.
A la Universidad Nacional del Centro del Perú y a todos los catedráticos de la Facultad de Ingeniería Química por todo lo aprendido, por brindarnos sus conocimientos en los años que estuvimos forjándonos y por su apoyo en nuestra formación profesional.
A nuestro asesor de tesis, el Ing. Henry Raúl Ochoa León, por su guía impecable y valiosa en el transcurso del desarrollo de esta investigación y motivar en nosotras los valores de respeto y responsabilidad.
Al Ing. Walter Fuentes López por su paciencia, apoyo incondicional y aporte en conocimiento.
A nuestras familias que son nuestra motivación y fuerza, ya que, por su apoyo incondicional día a día, hoy somos profesionales de bien.
A nuestros amigos y compañeros, que después de compartir años de estudio, dedicación y diversión, logramos estrechar lazos de amistad que nos unen en la distancia.
A todos ellos muchas gracias por habernos brindado su apoyo y parte de su incondicional tiempo.
Atentamente
Las Autoras
RESUMEN
El tratamiento de las aguas del canal de irrigación (CIMIRM) mediante una celda de electrocoagulación para el uso de regadío fue a través de la evaluación de la tensión de corriente de 15 voltios que redujo la DQO de 455,4 mg/L hasta 80,2 mg/L de DQO mientras que para 25 voltios se redujo hasta 41,1 mg/L de DQO, determinando que a mayor tensión de corriente mayor reducción de la DQO, del mismo modo se evalúa el tiempo de contacto es así que, en los primeros 30 minutos se redujo la mayor carga orgánica alcanzando valores de 234 mg/L, 90,8 mg/L, 184,4 mg/L y 36,8 mg/L de DQO en los diferentes tratamientos, y para los 40 minutos se alcanzó valores de 208,1 mg/L, 74,4 mg/L, 151,1 mg/L y 36,8 mg/L de DQO respectivamente siendo menor la reducción de DQO en los 10 minutos siguientes. El ultimo parámetro de evolución fue la distancia de electrodos siendo uno de los factores de mayor efecto en la reducción de materia orgánica, al separar los electrodos en 5 mm se tuvo una remoción mínima de 80,06% de DQO y una máxima de 91,93% de DQO, mientras para una separación de 15 mm se obtuvo una remoción mínima de 48,61% de DQO y una máxima de 66,84% de DQO por lo tanto se confirma que a mayor distancia de separación de electrodos mayor es la remoción de DQO.
Se realizó una caracterización al mejor tratamiento para las aguas del canal de irrigación (CIMIRM) mediante la electrocoagulación y se comparó con la caracterización inicial obteniendo una reducción de la materia orgánica en relación a la DQO y DBO desde 461,7 mg/L y 239 mg/L hasta 32,8 mg/L y 9,9mg/L respectivamente, siendo menores a los Estándares de Calidad de agua para usos de regadío según el DECRETO SUPREMO N° 004-2017-MINAM, que están establecidos en 50 mg/L de DQO y 10 mg/L de DBO.
Palabra clave: electrocoagulación, corriente, electrodos, tiempo
ABSTRACT
The treatment of irrigation canal waters (CIMIRM) by means of an electrocoagulation cell for irrigation use was through the evaluation of the 15 volt current voltage that reduced the COD from 455.4 mg/L to 80,2 mg/L of COD while for 25 volts it was reduced to 41.1 mg/L of COD, determining that a higher current voltage greater reduction of COD, in the same way the contact time is evaluated is so, in the highest organic load was reduced during the first 30 minutes, reaching values of 234 mg/L, 90.8 mg/L, 184.4 mg/L and 36.8 mg/L of COD in the different treatments, and for 40 minutes values of 208.1 mg/L, 74.4 mg/L, 151.1 mg/L and 36.8 mg/L of COD were considered respectively, the COD reduction being less in the next 10 minutes. The last evolution parameter was the distance of electrodes being one of the factors with the greatest effect in the reduction of organic matter, when separating the electrodes in 5 mm there was a minimum removal of 80.06%
of COD and a maximum of 91, 93% of COD, while for a 15 mm separation a minimum removal of 48.61% of COD was obtained and a maximum of 66.84% of COD therefore it was confirmed that a greater electrode separation distance is the COD removal.
A characterization was made to the best treatment for irrigation canal waters (CIMIRM) by electrocoagulation and compared with the initial characterization obtaining a reduction of organic matter in relation to COD and BOD from 461.7 mg/L and 239 mg/L up to 32.8 mg/L and 9.9mg/L respectively, being lower than the Water Quality Standards for irrigation uses according to SUPREME DECREE No. 004-2017-MINAM, which are set at 50 mg/L of COD and 10 mg/L of BOD.
Keyword: electrocoagulation, current, electrodes, time
INTRODUCCIÓN
Las aguas residuales son el principal contaminante de origen puntual que desembocan en los diferentes canales de irrigación, por un lado, normalmente contienen una composición física biológica, química y que es generalmente alta en la demanda bioquímica de oxígeno, demanda química de oxígeno y sólidos en suspensión. Por lo tanto, la descarga directa de aguas residuales en el cuerpo de agua es una de las principales fuentes de contaminación a escala global. En estos días, varios técnica fisicoquímica y biológica se han empleado se pueden aplicar como los métodos eficientes, ya sea tomaron un largo período de tiempo o necesita una gran cantidad de sustancia química, ambas formas son menos eficaces en el tratamiento de aguas residuales, donde se requiere un tiempo de tratamiento corto y una compatibilidad ambiental con efecto químico libre el cual puede ser remplazado por la electrocoagulación.
Entre los problemas de contaminación en nuestra localidad está el de los recursos hídricos que vienen recibiendo aguas residuales sin previo tratamiento de distintas actividades humanas las cuales son desembocadas a los canales de irrigación, y estas son utilizadas por los diferentes pobladores para el regadío de sus productos agrícolas una de estas actividades la viene realizando el distrito del Mantaro mediante el uso de los aguas del canal de irrigación (CIMIRM), compuestas principalmente por grandes cantidades de carga orgánica, solidos suspendidos, afectando así los productos agrícolas y a los animales que beben dichas aguas, por lo cual nuestro objetivo principal fue evaluar la tensión de corriente, tiempo de contacto y distancia de electrodos en la reducción de materia orgánica de las aguas del canal de irrigación (CIMIRM) para uso en regadío mediante la electrocoagulación.
En la primera parte se realizó el planteamiento del problema, donde hablamos sobre la realidad problemática del canal de irrigación (CIMIRM) afectadas por la contaminación, identificamos así los problemas y objetivos a alcanzar en nuestro trabajo, además se describe la importancia que tiene el tratamiento de las aguas y las limitaciones encontramos en el desarrollo del trabajo.
La segunda parte del trabajo de investigación contiene los fundamentos teóricos en los cuales nos basamos para poder construir y ejecutar el tratamiento de aguas con el método de la electrocoagulación, se consultó varias fuentes bibliográficas con trabajos realizados relacionados al tema, así mismo se hace un recuento del marco legal que tenemos en nuestro país, con los cuales se obtuvo un marco teórico que respalda los procedimientos realizados.
En la tercera se realizó el planteamiento metodológico, se detalla cómo se realizó los procedimientos para la construcción de la celda de electrocoagulación y las pruebas experimentales, se define las hipótesis planteadas y se realiza el procesamiento estadístico de la información obtenida durante la experimentación.
Finalmente, la cuarta parte presenta los resultados obtenidos, discusión de resultados y la contratación de hipótesis de todo el trabajo realizado, en esta parte vemos cuan eficiente llegó a ser el método de la electrocoagulación para el tratamiento de las aguas del canal de irrigación (CIMIRM)
OBJETIVOS Objetivo general
Evaluar la tensión de corriente, tiempo de contacto y distancia de electrodos en la reducción de materia orgánica de las aguas del canal de irrigación (CIMIRM) para uso en regadío mediante la electrocoagulación.
Objetivos específicos
Evaluar la tensión de corriente para la reducción de materia orgánica en el tratamiento de las aguas del canal de irrigación (CIMIRM) mediante una celda de electrocoagulación.
Determinar el tiempo de contactó para la reducción de materia orgánica en el tratamiento de las aguas del canal de irrigación (CIMIRM) mediante una celda de electrocoagulación.
Evaluar la distancia de electrodos para la reducción de materia orgánica en el tratamiento de las aguas del canal de irrigación (CIMIRM) mediante una celda de electrocoagulación.
SIMBOLOGIA UTILIZADA
(FAFA) : Filtro Anaeróbico de Flujo Ascendente
A : Amperaje.
A : Area
Al : Aluminio
ANA : Autoridad nacional del Agua
CA : Corriente Alterna
cm : Centímetros.
DBO : Demanda Bioquímica de Oxígeno DQO : Demanda Química de Oxígeno
EC : Electrocoagulación.
ECA : Estándar de Calidad Ambiental.
Fe : Hierro
I : Intensidad.
L : Litro
LMP : Límite Máximo Permisible.
mg/L : Miligramo por litro
mm : Milímetros.
mS : Milisiemens
MINAM : Ministerio del Ambiente.
pH : Potencial de Hidrógeno
SDT : Sólidos Disueltos Totales.
SS : Sólidos Suspendidos.
SST : Sólidos Suspendidos Totales.
ST : Sólidos Totales.
TRH : Tiempo de retención hidráulica
V : Voltaje.
INDICE DE CONTENIDO
DEDICATORIA ... iv
AGRADECIMIENTO ...v
RESUMEN ... vi
ABSTRACT ... vii
INTRODUCCIÓN ... viii
OBJETIVOS ...x
SIMBOLOGIA UTILIZADA ... xi
INDICE DE CONTENIDO ... xii
ÍNDICE DE TABLAS ... xiv
ÍNDICE DE FIGURAS ...xv
REVISIÓN BIBLIOGRAFICA...16
1.1. Antecedentes de la investigación ...16
2. MARCO TEÓRICO ...20
2.1. Las aguas residuales ...20
2.2. Electrocoagulación ...20
2.2.1. Aplicaciones de la electrocoagulación: ...20
2.2.2. Ventajas de la electrocoagulación: ...22
2.2.3. Desventajas de la electrocoagulación ...24
2.2.4. Reacciones involucradas en la electrocoagulación: ...25
2.2.5. Factores que intervienen en la electrocoagulación: ...26
2.2.6. Reactores para el proceso de electrocoagulación¡Error! Marcador no definido. 2.3. Cálculos termodinámicos ...30
2.3.1. Análisis termodinámico ...30
2.4. MARCO CONCEPTUAL ...31
3. PARTE EXPERIMENTAL: METODOLOGÍA (MATERIALES Y METODOS) ...32
3.1. Equipos y materiales ...32
3.1.1. Materiales ...32
3.1.2. Reactivos ...32
3.1.3. Equipos ...32
4. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL...33
4.1. Ubicación geográfica del punto de muestreo ...33
4.2. Construcción de una celda de electrocoagulación...33
4.3. Selección del material de los electrodos, número de electrodos y dimensiones. ...35
5. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS ...38
5.1. Tratamiento de datos ...38
5.1.1. Datos para el Análisis termodinámico ...40
5.2. Discusión de resultados ...40
5.2.1. La tensión de corriente ...42
5.2.2. El tiempo de contacto ...46
5.2.3. La distancia de electrodos ...49
5.2.4. Estudio termodinámico ...54
5.2.5. Cálculos termodinámicos para el oxigeno ...56
5.2.6. Contrastación de Hipótesis ...57
CONCLUSIONES ...63
RECOMENDACIONES ...64
BIBLIOGRAFÍA ...65
ANEXOS ...68
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Caracterización fisicoquímica del agua del canal CIMIRM ... 38
Tabla 2 Demanda Química de Oxigeno de las muestras iniciales ... 38
Tabla 3 Resultados de Demanda Química de Oxigeno después del tratamiento ... 39
Tabla 4 Resultados de promedio de Demanda Química de Oxigeno ... 39
Tabla 5 % Condiciones experimentales para el análisis termodinámico... 40
Tabla 6 % de Remoción de Demanda Química de Oxigeno ... 41
Tabla 7 Promedio del % de Remoción de Demanda Química de Oxigeno ... 41
Tabla 8 Caracterización fisicoquímica del mejor tratamiento ... 53
Tabla 9 Cálculos de adsorción para la isotermas de Lagmuir ... 54
Tabla 10 Coeficientes de la isoterma de Lagmuir (mg/L) ... 55
Tabla 11 Moles adsorbidas de oxigeno por gramo de adsorbente ... 55
Tabla 12 Coeficientes de la isoterma de Lagmuir (mol/L) ... 56
Tabla 13 Resultados termodinámicos ... 56
Tabla 14 Datos para el análisis estadísticos ... 57
Tabla 15 Análisis de Varianza ... 58
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Diagrama de conexión de electrodos monopolar y bipolar ... 27
Figura 2. Reactor con electrodos monopolares conectados en paralelo. ... 29
Figura 3. Reactor con Electrodos Monopolares Conectados en Serie ... 29
Figura 4. Reactor con Electrodos Bipolares Conectados en Paralelo... 30
Figura 5. Ubicación geográfica del punto de muestreo ... 33
Figura 6. Dimensiones de la celda para electrocoagulación ... 34
Figura 7 Detalle cara toma de muestras y evacuación de lodos ... 34
Figura 8 Vista superior del sistema de evacuación de lodos ... 34
Figura 9 Celda electroquímica ... 35
Figura 10 Disposición de los 6 electrodos en la celda ... 36
Figura 11 Disposición de los 12 electrodos en la celda ... 36
Figura 12 Equipo de electrocoagulación ... 37
Figura 13 Reducción promedio de la DQO ... 40
Figura 14 Porcentaje de remoción de DQO promedio en 30 min ... 42
Figura 15 Porcentaje de remoción de DQO promedio en 45 min ... 43
Figura 16 Diagrama de Pourbaix para un sistema hierro – agua a 25ºC ... 44
Figura 17 Diagrama de Pourbaix para un sistema aluminio – agua a 25ºC ... 45
Figura 16 Interacción del tiempo de contacto y la tensión de corriente ... 46
Figura 17 Interacción del tiempo de contacto y la distancia entre electrodos ... 46
Figura 18 Efectos principales del tiempo de contacto y la distancia entre electrodos ... 48
Figura 19 Efectos principales del tiempo de contacto y tensión de corriente ... 48
Figura 20 Efectos principales de la distancia entre electrodos y DQO ... 49
Figura 21 Interacción de la distancia entre electrodos en el % de remoción de DQO ... 50
Figura 22 Contorno del % remoción vs distancia y tiempo de contacto ... 50
Figura 23 Contorno del % remoción vs distancia y tensión de corriente ... 51
Figura 24 % de remoción de DQO en la gráfica de cubos ... 52
Figura 25 Linealizacion de la isotermas de Langmuir en (mg/L) ... 54
Figura 26 Linealizacion de la isotermas de Langmuir en (mol/L) ... 55
Figura 27 % Diagrama de Pareto de efectos estandarizados ... 62
Figura 28 % Diagrama de probabilidad normal ... 62
REVISIÓN BIBLIOGRAFICA 1.1. Antecedentes de la investigación
Según el autor (Rumi Chaudhary, 2013). los efluentes causan molestias por olores durante la descomposición y alteran la vida vegetal, humana y animal. Debido a esto, se ha introducido un tratamiento económico que se conoce como proceso electroquímico. Para tratar las aguas residuales de la industria azucarera, se utilizó una placa de aluminio como material de electrodo. Se ha demostrado que la eficiencia de eliminación de DQO aumenta con el aumento de la densidad de corriente aplicada, aumentando el caudal de aguas residuales y la adición de polielectrolitos. Los resultados indican que la electrocoagulación es muy eficiente y capaz de lograr una eliminación de DQO del 84,2% y una eliminación de color superior al 99% en 90 min a 40 mA/cm2 y caudal de aguas residuales de 1000 mL/min.
Según el autor (Xueming Chen, Guohua Chen, & Po Lock Yue, 2002) realizó un análisis tecno-económico para el tratamiento de aguas residuales metalúrgicas mediante electrocoagulación y coagulación química. La comparación de los resultados demostró que para el mismo caudal de aguas residuales (110 m3) el costo energético de la electrocoagulación fue 220 V/ y (246,4 USD) mientras que la coagulación química fue 106 V / y (118,7 USD) lo cual no es de extrañar ya que la electrocoagulación consume electricidad. Por otro lado, el costo del material para la electrocoagulación fue de 440 V / y (492,8 USD) en comparación con 1100 V / y (1232 USD), lo que también es razonable, ya que la coagulación química consume grandes cantidades de coagulantes. De esta comparación se pudo observar que el costo total del tratamiento para la electrocoagulación (660 V / y, 739 USD) es mucho menor que la coagulación química (1206 V / y, 1350,8 USD).
Según el autor (Guohua Chen, 2004), El objetivo del estudio es investigar el efecto de la densidad de corriente y la velocidad de agitación en el tratamiento de aguas residuales de matadero avícola (PSW) mediante electrocoagulación con electrodos de aluminio. En los experimentos, el pH inicial y la densidad de corriente se eligieron entre 3 y 7, y 0,5 y 2,0 mA/cm2 respectivamente. La mejor eliminación se ha obtenido, cuando el pH inicial y la densidad de corriente se ajustaron a 3,0 y 1,0
mA/cm2, respectivamente. El aumento de los valores de densidad de corriente disminuyó la eliminación de DQO. Las eliminaciones más altas se obtuvieron con eficiencias de 85, 85, 81 y 71% con la densidad de corriente de 0.5, 1.0, 1.5 y 2,0 mA/cm2, respectivamente. Los valores iniciales de pH fueron 4.0, 3.0, 3.0 y 5.0.
Cuando se realizaron experimentos para investigar la eliminación de turbidez, se encontró que la densidad de corriente de 1.0 mA/cm2 proporcionó 98% de eliminación de la eficiencia. Los resultados obtenidos de los experimentos en los que se utilizaron velocidades de agitación de 100, 150 y 250 rpm mostraron la eliminación de la eficiencia del 85, 90 y 75% respectivamente con la densidad de corriente de 1,0 mA/cm2. Los resultados mostraron que la electrocoagulación es un método adecuado para el tratamiento de PSW. La conductividad eléctrica de las aguas residuales investigadas fue de casi 2860 μS/cm, lo que provocó que el consumo de energía fuera relativamente menor.
Según (Barada Prasanna Dash & Sanjeev Chaudhari, 2005), El tratamiento de agua que contiene fosfato por electrocoagulación se ha estudiado en un reactor discontinuo de laboratorio. Se ha investigado el efecto de los parámetros operativos tanto en la eficiencia de eliminación de fosfato como en la evolución del pH. La influencia de la distancia entre electrodos, la densidad de corriente, el pH inicial, la temperatura y la conductividad se han estudiado ampliamente en una amplia gama de valores. Los resultados muestran que la eficiencia de remoción depende de las cargas eléctricas; se obtiene la misma eficiencia con una densidad de corriente baja con un tiempo de tratamiento prolongado o una intensidad de corriente más alta con un tiempo de tratamiento corto. El tiempo de evolución del pH durante el tratamiento depende en gran medida de las condiciones operativas, pero el pH final es más o menos lo mismo debido al efecto amortiguador de Al(OH)3/Al(OH)-4
mezcla. Los efectos de la temperatura, a menudo ignorados en la literatura, muestran que la tasa de tratamiento aumenta fuertemente con la temperatura.
mientras que una conductividad cercana a 1 mS/cm es suficiente para asegurar una tasa de tratamiento razonable. El consumo de energía eléctrica (alrededor de 4 Kw/
m3) Es aceptable lograr el 90% de conversión, pero es preferible una densidad de corriente más baja debido a la caída de voltaje más baja.
Según el autor (Lehmann, 2011), El proceso de electrocoagulación (EC) se probó utilizando electrodos de acero dulce o aluminio dispuestos en un sistema de configuración bipolar (BP) o monopolar. Los resultados mostraron que el mejor rendimiento se obtuvo utilizando un sistema de electrodos BP de acero dulce operado a una intensidad de corriente de 0,3 A, durante 60 min o 90 min de tratamiento. En estas condiciones, se midieron eliminaciones de 86 ± 1% y 99 ± 1%
para DBO y aceite y grasa, respectivamente, mientras que la DQO soluble y la DQO total se eliminaron en 50 ± 4% y 82 ± 2%, respectivamente. La CE también es eficaz para la decoloración (color rojo) y la clarificación del efluente PS. Se han medido eliminaciones de 89 ± 4% y 90 ± 4% para los sólidos en suspensión totales y la turbidez, respectivamente. La coagulación electroquímica operada en las condiciones óptimas implica un costo total de 0,71 USD $ por metro cúbico de efluente de PS tratado. Este costo incluye el consumo de energía y electrodos, productos químicos y eliminación de lodos.
Según el autor (Mariz, 2011). En el presente trabajo se aplicó electrocoagulación para la eliminación del color de soluciones que contienen Direct red 81. Se realizaron experimentos para soluciones sintéticas en modo discontinuo. El estudio se centra en el efecto de los siguientes parámetros operativos: tiempo de electrólisis, densidad de corriente, pH inicial, distancia entre electrodos, concentración inicial de tinte y tipo de electrolito de soporte. Los resultados obtenidos mostraron que las condiciones óptimas de decoloración son las siguientes: pH inicial de aproximadamente 6, densidad de corriente de 1.875mA/cm2, distancia entre electrodos de 1,5 cm y finalmente el uso de NaCl como electrolito de soporte. En las mejores condiciones se obtuvo una alta eficiencia de decoloración, alcanzando más del 98% de remoción de color.
Según los autores (Patricia, Alvaro, & Fernando, 2006) Este estudio explora la posibilidad de utilizar la electrocoagulación para eliminar el fenol del efluente residual de la refinería de petróleo utilizando una celda con cátodo de aluminio orientado horizontalmente y un ánodo de pantalla de aluminio horizontal. La eliminación de fenol se investigó en términos de varios parámetros, a saber: pH, tiempo de funcionamiento, densidad de corriente, concentración inicial de fenol y
adición de NaCl. La eliminación de fenol durante la electrocoagulación se debió al efecto combinado de coagulación por barrido y adsorción. Los resultados mostraron que, a alta densidad de corriente y solución de pH 7, se puede lograr una eliminación notable del 97% de fenol después de 2 h. Se observó que la velocidad de electrocoagulación aumenta a medida que disminuye la concentración de fenol; la tasa máxima de eliminación se alcanzó a 30 mg L-1 concentración de fenol. Para una densidad de corriente dada utilizando una matriz de pantallas de Al muy compactas como ánodo, se encontró que era más efectivo que el ánodo de una sola pantalla, se encontró que el porcentaje de eliminación de fenol aumentaba al aumentar el número de pantallas por matriz. Después de 2 h de electrocoagulación, se eliminó el 94,5% de la concentración inicial de fenol de las aguas residuales de la refinería de petróleo. El consumo de energía y el consumo de electrodos de aluminio se calcularon por gramo de fenol eliminado. El presente estudio muestra que la electrocoagulación de fenol utilizando electrodos de aluminio es un proceso prometedor.
2. MARCO TEÓRICO 2.1. Las aguas residuales
Las aguas pluviales, la escorrentía superficial y las aguas residuales son todos los tipos de aguas residuales. El tratamiento de las aguas residuales es clave para mantener la salud de todos los seres humanos y el medio ambiente.
El tratamiento de aguas residuales no es tan simple como ponerlo a través de un filtro, en el caso del tratamiento de aguas residuales, debemos analizar qué tipo de aguas residuales se tratan y los requisitos de las leyes locales para determinar cuánto tratamiento son necesarios los productos y procesos (Holt, Barton, & Mitchell, 2008).
2.2. Electrocoagulación
La tecnología de electrocoagulación es un proceso de tratamiento de la aplicación de corriente para tratar y flocular contaminantes sin tener que agregar coagulaciones. El conocido que la coagulación se produce con la corriente que se está aplicando, capaz de eliminar partículas pequeñas ya que la corriente aplicada pone en movimiento a las partículas. La electrocoagulación consiste en pares de láminas metálicas llamadas electrodos, que están dispuestos en pares de Dos:
ánodos y cátodos. Utilizando los principios de la electroquímica, el cátodo se oxida (pierde) electrones, mientras que el agua se reduce (gana electrones), lo que hace que las aguas residuales se traten mejor. (Khella, 2008)
La coagulación es una práctica común en los procesos de tratamiento de agua y aguas residuales. Este proceso se utiliza a menudo antes de la filtración o la sedimentación. Las partículas en la solución tienen dificultades para asentarse debido a sus cargas comunes, que hacen que se rechacen unas de otras. Para combatir las fuerzas repelentes, las cargas de las partículas deben neutralizarse para que los coloides se unan y precipiten. Esta es una condición ideal para el tratamiento posterior de sedimentación y filtración. (Khella, 2008)
2.2.1. Aplicaciones de la electrocoagulación:
Se requieren métodos rentables para tratar una amplia gama de contaminantes de aguas residuales en una amplia gama de condiciones. En comparación con los métodos de tratamiento tradicionales, la electrocoagulación proporciona una alternativa de tratamiento relativamente
compacta y robusta en la que los ánodos de metal de sacrificio inician reacciones electroquímicas que proporcionan cationes metálicos activos para la coagulación y la floculación. La ventaja inherente de la electrocoagulación es que no se deben agregar coagulantes a las aguas residuales y, por lo tanto, la salinidad del agua no aumenta después del tratamiento. (Bahadir, Numa, Ozdes, & Bektas, 2014)
La electrocoagulación es un proceso complejo que involucra una multitud de mecanismos de eliminación de contaminantes que operan de forma sinérgica. Aunque en el pasado reciente han aparecido numerosas publicaciones, la falta de un enfoque holístico y sistemático ha dado como resultado el diseño de varias unidades de tratamiento sin tener en cuenta la complejidad del sistema y los mecanismos de control de procesos. Debido a que se piensa que la electrocoagulación es una tecnología de tratamiento enigmática y prometedora y una solución rentable para la gestión sostenible del agua en el futuro, será cada vez más importante proporcionar una visión más profunda de los mecanismos de eliminación de contaminantes implicados, modelos cinéticos y diseño del reactor. Teniendo en cuenta los hechos mencionados anteriormente, en este documento, las aplicaciones de electrocoagulación de aguas residuales industriales se han revisado con especial énfasis en los principales mecanismos de reacción involucrados en estas aplicaciones. La evaluación se basó en los parámetros de contaminantes específicos del sector, así como los costos de operación, incluida la gestión de residuos sólidos, los materiales de los electrodos de sacrificio y los requisitos de energía eléctrica. (Bahadir, Numa, Ozdes, &
Bektas, 2014)
Cuando esto sucede, las partículas se neutralizan por la formación de complejos de hidróxido con el propósito de formar aglomerados. Estos aglomerados comienzan a formarse en el fondo del tanque y pueden sedimentarse a través de la filtración. Sin embargo, cuando se considera una electrocoagulación-flotación, las partículas en su lugar flotarían en la parte superior del tanque por medio de hidrógeno formando burbujas que se crean a partir del ánodo. Las partículas flotadas se pueden deslizar desde la parte superior del tanque.
Se deben considerar las siguientes entradas o variables: tipo de aguas residuales, pH, densidad de corriente, tipo de electrodos metálicos (aluminio, acero, hierro), Número de electrodos, tamaño de los electrodos y configuración de los metales. Estas variables afectarían el tiempo total de tratamiento, cinética, y también la eficiencia de remoción medida. (kumar, 2004 )
La electrocoagulación-flotación es un método alternativo a la coagulación química clásica para muchas razones. Es capaz de reducir la necesidad de productos químicos debido al hecho de que los electrodos proporcionan El coagulante. Sin embargo, muchas personas todavía usan coagulantes químicos para tratar de mejorar tratamiento. Tradicionalmente, la coagulación química implica el uso de alumbre (sulfato de aluminio), férrico cloruro (FeCl3), o sulfato ferroso (Fe2SO4) que puede ser muy costoso dependiendo del volumen de agua tratada. Al aplicar el coagulante, el coagulante realiza una función similar a la de los electrodos, neutralizando la carga de las partículas, por lo tanto, les permite aglomerarse y asentarse en la parte inferior del tanque. Además, la electrocoagulación-flotación es capaz de reducir la producción de residuos de Tratamiento de aguas residuales y también reduce el tiempo necesario para el tratamiento. (kumar, 2004 )
2.2.2. Ventajas de la electrocoagulación:
Las 5 ventajas principales del tratamiento de agua por electrocoagulación avanzado
Para inducir la coagulación, se puede utilizar uno de los dos métodos:
coagulación química o tratamiento de agua por electrocoagulación. La coagulación química se ha utilizado comúnmente en años anteriores, pero tiene una serie de efectos secundarios no deseados. Más recientemente, la electrocoagulación (EC) ha sido reconocida por su tratamiento efectivo en muchos sectores. (Heng, Nikraz, & Tse Hung, 2010)
Puede procesar múltiples contaminantes en una sola pasada: El agua de tratamiento a menudo contiene varios tipos diferentes de contaminantes al inicio del proceso de tratamiento, metales pesados, compuestos orgánicos, pesticidas y sólidos coloidales se pueden encontrar, entre otros. Algunos métodos de tratamiento utilizan sistemas múltiples, para
eliminar esta cantidad de contaminantes. Sin embargo, EC puede eliminarlos en un solo sistema con algunas veces solo una sola pasada.
Baja producción de lodos: A diferencia de la coagulación química, que produce grandes volúmenes de lodos peligrosos, la CE produce muy poco lodo y no es peligrosa. Debido a que el ajuste del pH es el único aspecto de la EC que requiere la adición de productos químicos, hay poco que agregar al volumen de cualquier lodo producido. Además, aunque la mayoría de los electrodos son de sacrificio, no se oxidan a una velocidad que agregue cantidades significativas al fango. En el lado peligroso, los productos químicos de equilibrio del pH no crean partículas peligrosas y los metales están en forma de óxido. Esta forma es mejor que la forma de hidróxido más peligrosa producida en los procesos de coagulación química. Los sistemas EC se desvían naturalmente hacia un pH neutro cuando no se ajustan con un ácido o base. Por lo tanto, al final del proceso, el pH de los lodos suele estar entre 6-8. El bajo volumen y la toxicidad permiten que los lodos se deshagan de forma sencilla, se transporten fácilmente y se eliminen de forma segura. También puede usarse como aditivo del suelo en tierras de cultivo en muchos casos.
Bajos costos de mantenimiento: Tan efectivo como es el proceso de tratamiento de la CE, uno podría pensar que requeriría un sistema complejo y costoso. En realidad, es un sistema relativamente fácil de operar. Consiste principalmente en un tanque que se fija con una serie de placas de metal o medios. Estos electrodos están conectados a una fuente de energía, que actúa como ánodos y cátodos. Cuando el agua del tanque y la solución de ajuste del pH se agregan al reactor del tanque, se suministra energía a los electrodos y comienza el proceso.
No se necesitan piezas mecánicamente móviles, por lo que el sistema no se daña fácilmente. El mantenimiento también es bastante simple;
Las placas se limpian periódicamente con ácido diluido y después de un tiempo habrá que reemplazarlas por otras nuevas. Este proceso se puede hacer de forma relativamente económica. Debido a que este sistema es fácil de operar, estos sistemas pueden ser monitoreados
remotamente con poco personal requerido para operar, monitorear o mantenerlo. (Heng, Nikraz, & Tse Hung, 2010)
Produce efluentes con menor solidos disueltos totales: En algunos casos, la EC tiene la capacidad de procesar agua cruda y niveles más bajos de sólidos disueltos totales en comparación con un proceso de coagulación química convencional. La falta de grandes cantidades de aditivos químicos contribuye a esta baja concentración. Además, al eliminar incluso algunas de las partículas más pequeñas, el ensuciamiento de la membrana se puede reducir considerablemente. Esto también puede reducir los costos operativos en estas aplicaciones, porque las membranas no necesitan ser reemplazadas tan a menudo como lo harían normalmente. (LARUE, 2003) Los sistemas pueden manejarse fácilmente las variaciones de calidad del agua. con los sistemas de coagulación química, es muy difícil realizar ajustes en el proceso cuando cambia la calidad del agua. Sin embargo, debido a que el sistema de electrocoagulación es relativamente fácil de operar, solo hay que hacer algunos cambios necesarios. Estos cambios serían para ajustar el voltaje del sistema, el tiempo de reacción o el pH de la solución. Esto se puede hacer fácilmente incluso cuando el tratamiento ya está en proceso. (LARUE, 2003)
2.2.3. Desventajas de la electrocoagulación
Es necesario el reemplazo regular del ánodo de sacrificio utilizado en EC, ya que el ánodo se disuelve en la solución
Puede producirse la pasivación del cátodo, lo que reduce la eficiencia del proceso de CE
En algunas áreas donde la electricidad no es abundante, el costo operativo de la CE puede ser caro (Mollah et al., 2004 , Mollah et al., 2001 , Holt et al., 2005 , Bazrafshan et al., 2015 ).
2.2.4. Reacciones involucradas en la electrocoagulación:
El ánodo sirve como coagulante en una celda EC, donde se disocia para dar cationes metálicos cuando la CC pasa a través de la celda. La disociación del ánodo sigue la ley de Faraday Las reacciones anódicas se expresan mediante las reacciones Según (Huijuan Liu, 2010) presentes dentro del proceso de electrocoagulación son las siguientes
Mecanismo 1: Formación del hidróxido férrico
En el ánodo ocurren las siguientes reacciones de oxidación:
4𝐹𝑒(𝑠)→ 4𝐹𝑒 (𝑎𝑐)+2 + 8𝑒−………... (1) 4𝐹𝑒 (𝑎𝑐)+2 + 10𝐻2𝑂 (𝑙) + 𝑂2(𝑔) → 4𝐹𝑒(𝑂𝐻)3(𝑠)+ 8𝐻 (𝑎𝑐)+ ….…. (2) En el cátodo ocurre la reacción:
8𝐻 (𝑎𝑐)+ + 8𝑒− → 4𝐻2(𝑔) ………...……….……..…. (3) Reacción global:
4𝐹𝑒(𝑠) + 10𝐻2 𝑂 (𝑙) + 𝑂2(𝑔)→ 4𝐹𝑒(𝑂𝐻)3(𝑠)+ 4𝐻2(𝑔)...…..….. (4)
Mecanismo dos: Formación del hidróxido ferroso En el ánodo se dan las reacciones:
𝐹𝑒(𝑠) → 𝐹𝑒 (𝑎𝑐)+2 + 2𝑒− ………..…...…. (5) 𝐹𝑒 (𝑎𝑐) +2 + 2𝑂𝐻 (𝑎𝑐)− → 𝐹𝑒(𝑂𝐻)2(𝑠) ………...…...(6) En el cátodo:
2𝐻2𝑂 (𝑙) + 2𝑒− → 𝐻2(𝑔)+ 2𝑂𝐻 (𝑎𝑐)− ……….…………...…. (7) Reacción global:
𝐹𝑒(𝑠)+ 2𝐻2𝑂 (𝑙) → 𝐹𝑒(𝑂𝐻)2(𝑠)+ 𝐻2(𝑔)………..……….… (8)
𝐴𝑙 → 𝐴𝑙+3+ 3𝑒−………. (9) 𝐴𝑙 (𝑎𝑐)+3 + 3𝐻2𝑂 → 𝐴𝑙(𝑂𝐻)3(𝑠)+ 3𝐻 (𝑎𝑐)+ …….……….……… (10) 𝑛𝐴𝑙(𝑂𝐻)3 → 𝐴𝑙𝑛(𝑂𝐻)3𝑛……… ……… (11) Dependiendo del pH de la solución y del potencial, el hierro puede formar cationes divalentes o trivalentes como se ilustra en el diagrama E-pH para el hierro. Por otro lado, el aluminio solo se disuelve como cationes trivalentes. Usando los diagramas de E-pH de hierro y aluminio, los
compuestos estables de cada uno podrían predecirse en diferentes condiciones.
En el cátodo:
3𝐻2𝑂 + 3𝑒−→ 3𝐻2+ 3(𝑂𝐻)−………..………...………. (12) Los iones Al+3 en combinación con los OH– reaccionan para formar algunas especies monoméricas como:
Al(OH)2+, Al2(OH)2+, Al(OH)2+, y otras poliméricas, tales como Al6(OH)153+, Al7(OH)174+, Al8(OH)204+, Al13O4(OH)247+ y Al13(OH)345+.. Como se mencionó anteriormente, varias reacciones secundarias ocurren en la celda de EC, que incluyen la evolución de burbujas de hidrógeno en el cátodo junto con iones OH -, que conducen a un aumento en el pH de la solución expresado. En algunos casos, la disolución real del ánodo no coincide con la calculada usando la ley de Faraday, lo que indica que otras reacciones electroquímicas podrían estar teniendo lugar en el ánodo.
2.2.5. Factores que intervienen en la electrocoagulación:
a) Materiales de electrodo
El material del electrodo determina las reacciones electroquímicas que tienen lugar en el proceso de electrocoagulación. Los electrodos de aluminio y hierro se utilizan principalmente como material del electrodo en sistemas de electrocoagulación. El aluminio se disuelve como Al3+. Sin embargo, no hay un acuerdo general sobre la naturaleza de las especies de hierro, con ambos Fe2+ y Fe3+ propuesto como las especies disueltas.
De hecho, en algunos estudios la presencia de Fe3+ se explica por la disolución inicial del hierro para dar Fe2+. Especies que posteriormente son oxidadas en presencia de oxígeno disuelto en pH alcalinos. Se ha señalado que el Fe2+ es un coagulante pobre en comparación con el Fe3+ debido a la mayor solubilidad de los hidróxidos y menor carga positiva del ion.
b) Disposiciones de electrodos
Una celda de electrocoagulación típica consiste en electrodos de placa y los flujos de agua. A través del espacio entre las placas. Los electrodos pueden ser dispuestos en varias formas. Por ejemplo, se pueden conectar en modo
monopolar o bipolar, como se muestra en la Figura 1 y en serie o en paralelo.
En sistemas monopolares, que se muestran en la Figura 1 (a). Todos los ánodos están conectados eléctricamente y, de manera similar, todos los cátodos también están conectados. En los sistemas bipolares, que se muestran en la Figura 1 (b), solo los electrodos externos están conectados a una fuente de alimentación y la corriente pasa a través de los otros electrodos. En los sistemas bipolares, el lado del electrodo que mira hacia el ánodo está polarizado negativamente y viceversa en el otro lado orientado hacia el cátodo. Las diferentes conexiones de electrodos, que afectan a la eficiencia de eliminación de contaminantes y los costos operativos, se han comparado en varios estudios
Figura 1 Diagrama de conexión de electrodos monopolar y bipolar
c) Densidad de corriente
En la electrocoagulación, la densidad de corriente aplicada afecta la velocidad de la electroquímica. Reacciones que generan el coagulante y el tamaño y el número de burbujas de hidrógeno. Además, influye en el potencial del electrodo, que determina la Reacciones que tienen lugar en la superficie del electrodo. De hecho, se ha informado que la velocidad de disolución del ánodo puede ser más baja que el valor teórico calculado por Ley de Faraday, que indica la aparición de otras reacciones en el ánodo y/o la ocurrencia del efecto de diferencia negativa, presentado en la Sección.
d) La concentración de iones Al3+ y Fe2+
Producidos a partir de los ánodos generalmente se calcula de acuerdo con la ley de Faraday, siempre que la corriente y la electrocoagulación los tiempos son conocidos, sin embargo, se han observado eficiencias de corriente superiores al 100%. tanto en los sistemas de Al como de Fe. (Gilberto Salas C., 2008), explicó esta diferencia en términos de la disolución química de la superficie del electrodo a pH alcalino para el sistema Al y en pH ácido para el sistema de Fe. Esto ciertamente tiene un efecto cuando se usa el mismo material como el ánodo y el cátodo. De hecho, la evolución del hidrógeno en el cátodo aumenta. el pH.
e) Electrolito de soporte
En el proceso de electrocoagulación, el electrolito juega un papel importante y la concentración y la naturaleza de los iones tienen un efecto significativo en la eficiencia del proceso. Por ejemplo, (Guohua Chen, 2004) informó que la presencia de NaCl en el soporte el electrolito redujo significativamente los efectos adversos de los aniones, como el HCO3. y SO42-
De hecho, en presencia de iones carbonato o sulfato, la precipitación de Ca2+
o Mg2+. Las especies que contienen forman una capa aislante en la superficie de los electrodos, por lo tanto, incrementando el potencial entre los electrodos.
La presencia de aniones también puede influir en el comportamiento del electrodo. De hecho, los iones de sulfato son agentes pasivantes bien conocidos, mientras que los iones de cloruro inducen la descomposición de la capa pasiva.
f) pH de la solución
La eficiencia de la electrocoagulación depende del pH de la solución, que aumenta Durante el proceso de electrocoagulación. De hecho, afecta a la eficiencia actual, a la disolución de los electrodos y la especiación de los productos de hidrólisis químico. La disolución se produce a pH ácido y alcalino para electrodos de hierro y aluminio. respectivamente, depende de la solución pH. Se ha demostrado que, a pH alcalino formas el Al (OH)4- y esta especie tiene un pobre rendimiento de coagulación. Por otro lado, el Fe3+ es efectivo en un rango de pH más amplio, se ha demostrado que el pH de la solución aumenta para soluciones ácidas y disminuye las soluciones
alcalinas durante el proceso de electrocoagulación. El aumento del pH en condiciones ácidas se atribuyó a la reacción de evolución del hidrógeno que ocurre en el cátodo y a la liberación de CO2 del burbujeo de hidrógeno.
Sobre el por otro lado, la disminución del pH de las condiciones alcalinas se atribuyó a los efectos anfóteros. carácter del hidróxido de aluminio.
2.2.6. Tipos de reactores en el proceso de electrocoagulación
En Paralelo:
En la siguiente figura se aprecia la distribución de los electrodos.
Figura 2. Reactor con electrodos monopolares conectados en paralelo.
Fuente: (Mollah, 2001)
En Serie:
Figura 3. Reactor con Electrodos Monopolares Conectados en Serie Fuente: (Mollah, 2001)
Bipolar
Figura 4. Reactor con Electrodos Bipolares Conectados en Paralelo.
Fuente: (Mollah, 2001) 2.3. Cálculos termodinámicos
Los parámetros termodinámicos reflejan la viabilidad y la naturaleza espontánea del proceso de electrocoagulación. El equilibrio heterogéneo que se alcanza puede ser representado con la constante de equilibrio KL definida como una relación entre la concentración de equilibrio del soluto entre la fase sólida de los productos de electrocoagulación y la fase liquida (solución de cianuro).
Para el proceso de adsorción los cambios en la energía libre de Gibbs (ΔGº).
entalpia estándar (ΔHº) y entropía estándar (ΔG°). fueron calculados empleando las siguientes ecuaciones y utilizando los resultados de los estudios de la isoterma de Langmuir
∆𝐺0 = −𝑅𝑇𝑙𝑛(𝐾𝐿) (1)
∆𝐻𝑎𝑑𝑠 = −𝑅𝑇(𝑙𝑛𝐾𝐿− 𝐾𝑜) (2)
∆𝐺𝑎𝑑𝑠 = ∆𝐻𝑜𝑎𝑑𝑠− 𝑇∆𝑆𝑜𝑎𝑑𝑠 (3)
Dónde: KL es la constante de Langmuir. Ko una constante la cual se relaciona con la energía de adsorción. T: es la temperatura en (K)y R; es la constante universal de los gases.
2.3.1. Análisis termodinámico
El análisis termodinámico se realizó mediante las pruebas de electrocoagulación a una solución de cianuro con diferentes concentraciones de oro y plata. Se pesó en una balanza analítica la masa que se disuelve de los electrodos y por medio el equipo de absorción atómica se cuantificó la cantidad de oro y plata que se adsorbió durante el proceso de electrocoagulación. Se calculó
la adsorción de la siguiente forma 𝑞𝑒 = 𝑉((𝐶0−𝐶𝑒)
𝑊 ), donde 𝑞𝑒 (mol/g) son lo moles adsorbidos de oro y plata por gramo de hierro o aluminio, 𝑉 es volumen de la celda electrolítica, 𝐶0 es la concentración inicial de oro o plata, 𝐶𝑓 concentración de equilibrio y 𝑊 es la cantidad hierro y aluminio que se disuelve en los electrodos, por último, se graficó la adsorción versus concentración de equilibrio y se determinó cual es la isoterma que mejor ajuste los resultados experimentales.
2.4. MARCO CONCEPTUAL
• Agua residual doméstica: Son las aguas de origen principalmente residencial (desechos humanos, baños, cocina) y otros usos similares que en general son recolectadas por sistemas de alcantarillado en conjunto con otras actividades (comercial, servicios, industria
• Ánodo: es el electrodo que pierde electrones en una reacción de oxidación.
Normalmente se vincula al polo positivo del tránsito de la corriente eléctrica, pero no siempre es así.
• Cátodo: es el electrodo con carga negativa, que en la reacción química sufre una reacción de reducción, donde su estado de oxidación se reduce cuando recibe electrones.
• Corriente eléctrica: es el flujo de carga eléctrica que atraviesa un material conductor durante un periodo de tiempo determinado. Se expresa en C/s, culombios por segundo en el Sistema Internacional de Unidades, y la unidad se conoce como Amperio (A)
• DBO5 Demanda Bioquímica de Oxígeno 5 días: Es la cantidad de oxígeno que los microorganismos, especialmente bacterias (aeróbicas o anaeróbicas), hongos y plancton, consumen durante la degradación de las sustancias orgánicas contenidas en la muestra.
• Densidad de corriente: se define como una magnitud vectorial que tiene unidades de corriente eléctrica por unidad de superficie
• DQO Demanda Química de Oxígeno: Es un parámetro que mide la cantidad de sustancias susceptibles de ser oxidadas por medios químicos que hay disueltas o en suspensión en una muestra líquida. Se utiliza para medir el grado de contaminación y se expresa en miligramos de oxígeno diatómico por litro (mg O2/L).
3. PARTE EXPERIMENTAL: METODOLOGÍA (MATERIALES Y METODOS)
3.1. Equipos y materiales 3.1.1. Materiales
5 Vasos de precipitación de 250 mL.
3 Vasos de precipitación de 500 mL.
3 Vasos de precipitación de 100 mL.
1 Probeta de 500 mL.
1 Probeta de 250 mL.
1 Gradilla
10 tubos de ensayo con su tapa.
2 Fiolas de 100 mL.
1 Piceta.
2 Varillas.
1 Guantes de latex.
1 Guardapolvo.
1 Rollo de Papel Toalla.
3.1.2. Reactivos
11 mL Peróxido de hidrogeno (10 %).
20 mL H2SO4 a 1M.
20 g NaOH a 1M.
2 g Agua destilada.
3.1.3. Equipos
Balanza analítica.
Agitador magnético.
pHmetro.
Celda de electrocoagulación.
Fuente de poder continuo.
Electrodos de aluminio y hierro
Multitester
Termómetros.
Cronómetros.
4. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 4.1. Ubicación geográfica del punto de muestreo
El punto de muestreo se realizó en el canal de irrigación margen izquierda CIMIRM en la localidad Mantaro, punto de captación Estación Mantaro ubicada en el distrito del Mantaro, provincia de Jauja, departamento de Junín a una latitud de 11º 49’
57.26” al sur y una longitud de 75º 23’ 37.58” al Oeste, a una altura aproximada de 3320 m.s.n.m.
Figura 5. Ubicación geográfica del punto de muestreo 4.2. Construcción de una celda de electrocoagulación
La construcción de la celda de electrocoagulación presenta un sistema como un reactor batch, con una capacidad para tratar 2 litros de volumen. La celda electrolítica en la cual se sumergieron los electrodos, estos electrodos son placas rectangulares metálicas de hierro y aluminio dispuestas en paralelo y conectadas a una fuente de poder de corriente continua requerida para la electrocoagulación.
La fuente de voltaje posee controles de intensidad de corriente y voltaje regulables e independientes. (Alvaro Arango Ruiz, 2007)
La celda para electrocoagulación se construyó con material acrílico su diseñó fue considerado en función de una distribución volumétrica que está dividida tres regiones: la región superior donde se depositaran los lodos de flotación o lodos menos densos y las espumas, la segunda es una región media de reacciones electroquímicas, llamada zona de reacción en donde se encuentran los electrodos y la tercera una región inferior, llamada zona de sedimentación dónde se depositan los lodos de precipitación o lodos más densos”. (Alvaro Arango Ruiz, 2007). Esto
Figura 6. Dimensiones de la celda para electrocoagulación Fuente: (Alvaro Arango Ruiz, 2007)
Las dos zonas de flotación y la de sedimentación equivalen cada una a ¼ del volumen total de la celda de electrocoagulación (2 L), y la zona de reacción equivale a 2/4 partes.
La celda fue provista de una compuerta para evacuar la espuma producida por las burbujas de hidrógeno generado en las reacciones electrolíticas, además de dos llaves para tomar las muestras a ser analizadas, una de esas llaves está ubicada en la zona de reacciones y la otra en la zona de sedimentación.
Figura 7 Detalle cara toma de muestras y evacuación de lodos Fuente: (Alvaro Arango Ruiz, 2007)
Figura 8 Vista superior del sistema de evacuación de lodos Fuente: (Alvaro Arango Ruiz, 2007)
Figura 9 Celda electroquímica Fuente: Elaboración propia.
4.3. Selección del material de los electrodos, número de electrodos y dimensiones.
Se utilizaron los electrodos de hierro y aluminio por los siguientes motivos:
La gran disponibilidad de los metales que se encuentran en el mercado.
El costo de los materiales relativamente baratos.
Suficiente información de los sistemas de electrocoagulación (Kobya, 2003 y Chen, 2002).
El diseño de los electrodos fue de forma de placas rectangulares ordenadas en serie.
Estos metales se encuentran en el mercado como láminas de 3 mm de espesor. Se colocaron cada placa a una distancia de 2 cm entre el arreglo de placas y cada una de las caras laterales de la celda, esto permitirá que el flujo del agua residual durante la electrólisis sea más constante.
Se consideró una distancia de 1,25 cm entre la cara frontal y los electrodos, de igual manera 1,25 cm entre estos y la cara posterior de la celda. (Alvaro Arango Ruiz, 2007)
El número de electrodos se determinó considerando una separación máxima entre electrodos de 14 mm más 3 mm del espesor de cada placa, de acuerdo a la siguiente expresión:
𝑁º 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜 = (𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎) − 2 ∗ (𝑑𝑖𝑠𝑡. 𝑒𝑙𝑒𝑐. 𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙) (𝑑𝑖𝑠𝑡. 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑠 + 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎)
Entonces:
𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑠 =140 − 2 ∗ 20
(14 + 3) = 5,88 ≈ 6
Figura 10 Disposición de los 6 electrodos en la celda Fuente: Elaboración propia.
Para el siguiente arreglo el número de electrodos se determinó suponiendo una separación máxima entre electrodos de 5 mm más 3 mm del espesor de cada placa, de acuerdo a la siguiente expresión:
Entonces:
𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑠 =140 − 2 ∗ 20
(5 + 3) = 12,5 ≈ 12
Figura 11 Disposición de los 12 electrodos en la celda Fuente: Elaboración propia.
La celda de electrocoagulación fue instalada a una fuente de poder de corriente continua que nos ayuda a regular el voltaje como se puede observar en la figura 12
Figura 12 Equipo de electrocoagulación Fuente: Elaboración propia.
5. TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 5.1. Tratamiento de datos
Se realizó un muestreo del agua del canal de irrigación (CIMIRM) en la zona denominada Estación Experimental el Mantaro, en el distrito El Mantaro, provincia de Jauja. El punto de muestreo esta referenciado en la ubicación geográfica ya mencionada, donde se tomó una muestra y estas fue enviada al Laboratorio de Análisis Químico de la FIQ para su caracterización fisicoquímica obteniéndose los siguientes resultados que se muestra en la tabla 1 según el reporte Nº 20-2019
Tabla 1 Caracterización fisicoquímica del agua del canal CIMIRM
Parámetros Unidad Resultado
Potencial de hidrogeno Unidad 7,9
Conductividad uS/cm. 590,0
Solidos suspendidos mg/L 430,0
Solidos totales mg/L 684,0
Turbidez NTU 53,2
Demanda química de oxigeno mg/L 461,7
Demanda biológica de oxigeno mg/L 239,0
Se realizaron además tres tomas de muestra durante una semana del mismo punto de muestreo realizando el procedimiento establecido en el protocolo de monitoreo de calidad de agua (Ministerio de Agricultura y Riego, 2016), en un balde de plástico transparente, 10L, para el desarrollo de los ensayos experimentales.
En cada muestra fue analizada, el parámetro de la Demanda Química de Oxigeno como se muestra en la tabla 2
Tabla 2 Demanda Química de Oxigeno de las muestras iniciales DQO Inicia
(mg/L)
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3
461,7 405,1 499,5
En la tabla 2 se observa la concentración de DQO en mg/L de los valores iniciales o antes del tratamiento de las aguas del canal de irrigación (CIMIRM)
Según el diseño experimental se realizaron 8 pruebas principales debido a las variables intervinientes de tensión de corriente, distancia de electrodos y tiempo de contacto y por cada uno de ellas se aplicaron tres replicas, se analizó la DQO en cada uno de los tratamientos al finalizar las pruebas estos resultados se encuentran en el Reporte Nro. 27-2019
Tabla 3 Resultados de Demanda Química de Oxigeno después del tratamiento Nro
Exp.
T. Corriente (V)
Distancia (mm)
T. contacto (min)
Demanda química de oxigeno (mg/L) Replica I Replica II Replica III
1 15 15 30 235,6 209,3 257,1
2 15 15 45 211,2 184,7 228,5
3 15 5 30 91,6 81,1 99,7
4 15 5 45 75,2 67,9 80,2
5 25 15 30 186,7 162,8 203,8
6 25 15 45 153,3 133,5 166,4
7 25 5 30 50,8 42,7 50,3
8 25 5 45 36,4 32,8 41,1
En la tabla se representa los resultados obtenidos de la DQO después de manipular las variables independientes como se puede observar en primer lugar con respecto a las réplicas existe una variación significativa esto es debido a que los valores iniciales de la DQO también tuvieron una variación significativa, también se puede observar que el experimento Nro 8 fue el que mayor reducción de la DQO alcanzó en comparación a los otros experimentos.
Tabla 4 Resultados de promedio de Demanda Química de Oxigeno Nro.
Exp.
DQO (mg/L) Valor inicial 455,4
1 234,0
2 208,1
3 90,8
4 74,4
5 184,4
6 151,1
7 47,9
8 36,8
En la tabla 4 Se calculó el promedio de la DQO y podemos observar que los valores más bajos de la DQO alcanzados fueron en los tratamientos 7 y 8 obteniendo valores
Figura 13 Reducción promedio de la DQO
En la figura 13 se observa que la disminución de la DQO desde un valor inicial de 455,4 mg/L DQO se redujo hasta 36,8 mg/L DQO en el tratamiento 8 a las condiciones de 25 voltios, una distancia de separación de electrodos de 0,5 cm y un tiempo de contacto de 45 minutos
5.1.1. Datos para el Análisis termodinámico
Las condiciones experimentales para el análisis termodinámico de la electrocoagulación de la demanda química de oxigeno de las aguas del canal de irrigación (CIMIRM) se presentan en la siguiente tabla 5
Tabla 5 % Condiciones experimentales para el análisis termodinámico Muestra
masa (g)
DQO (mg/L)
tiempo (min)
Voltaje (V)
Distancia entre electrodos (mm)
1 0,601 461,7 45 25 5
2 0,702 405,1 45 25 5
3 0,72 499,5 45 25 5
4 0,586 254,6 45 25 5
5 0,503 218,4 45 25 5
5.2. Discusión de resultados
Se realizó una caracterización de aguas del canal de irrigación (CIMIRM) del distrito del Mantaro provincia de Jauja, se recolectó la muestra en el punto de latitud de 11º 49’ 57.26” al sur y una longitud de 75º 23’ 37.58” al Oeste, a una altura aproximada de 3320 m.s.n.m. dicha muestra fue enviada al laboratorio obteniendo los resultados en el reporte Nro. 20-2019 el cual se muestra en la Tabla 1, los resultados obtenidos respecto a la DQO fue de 461,7 mg/L y DBO fue de 239 mg/L,
el cual supera los niveles del ECA según el Decreto Supremo N° 004-2017- MINAM, donde el tipo de agua para regadío se encuentra en la categoría 3 que debe ser menor a 40 mg/L DQO y 15 mg/L DBO.
Se calcularon los porcentajes de remoción a partir de la concentración inicial y final de la DQO según las tablas 2 y 3. Según la ecuación siguiente
% 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑚𝑜𝑐𝑖𝑜𝑛 𝐷𝑄𝑂 =𝐶𝑜𝑛𝑐. 𝐼𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝐷𝑄𝑂 − 𝐶𝑜𝑛𝑐. 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝐷𝑄𝑂
𝐶𝑜𝑛𝑐. 𝐼𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝐷𝑄𝑂 ∗ 100 Tabla 6 % de Remoción de Demanda Química de Oxigeno
Nro.
Exp.
T. Corriente (V)
Distancia (cm)
T. contacto (min)
% de Remoción de DQO (mg/L) Replica I Replica II Replica III
1 15 15 30 48,97% 48,33% 48,53%
2 15 15 45 54,26% 54,41% 54,25%
3 15 5 30 80,16% 79,98% 80,04%
4 15 5 45 83,71% 83,24% 83,94%
5 25 15 30 59,56% 59,81% 59,20%
6 25 15 45 66,80% 67,05% 66,69%
7 25 5 30 89,00% 89,46% 89,93%
8 25 5 45 92,12% 91,90% 91,77%
Según la tabla 6 se observa que los resultados del % de remoción de DQO en las réplicas por cada tratamiento no presentan variación significativa, el más alto % de remoción se obtuvo a partir de una tensión de corriente de 25 voltios, una distancia entre electrodos de 5 mm y un tiempo de contacto de 45 minutos.
Tabla 7 Promedio del % de Remoción de Demanda Química de Oxigeno Nro Exp T. Corriente
(V)
Distancia (mm)
T. contacto (min)
Promedio Demanda química de
oxigeno (mg/L)
% de Remoción
de DQO (mg/L)
1 15 15 30 234 48,61%
2 15 15 45 208,13 54,31%
3 15 5 30 90,8 80,06%
4 15 5 45 74,43 83,63%
5 25 15 30 184,43 59,52%
6 25 15 45 151,07 66,84%
7 25 5 30 47,93 89,46%
