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UNIVERSIDAD AUTNOMA DEL ESTADO DE MXICO
FACULTAD DE QUMICA
DEGRADACIN ELECTROQUMICA DE UN COLORANTE
ARTIFICIAL EN UN REACTOR TIPO BATCH
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TTULO DE:
I N G E N I E R O Q U M I C O
PRESENTA:
A N G L I C A G U T I R R E Z L P E Z
DIRECTOR:
DR. CARLOS EDUARDO BARRERA DAZ
ASESOR:
DRA. GABRIELA ROA MORALES
TOLUCA, MXICO NOVIEMBRE, 2013
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NDICE GENERAL
Resumen. 7
Introduccin.. 9
CAPTULO I.- El agua. 12
Contaminacin del agua . 12
Aguas residuales 13
Tipos de contaminacin 13
Depuracin de aguas 14
Parmetros de la calidad del agua 14
Parmetros fsicos 15
Parmetros qumicos 15
Parmetros biolgicos 16
Demanda qumica de oxgeno (DQO) 16
CAPTULO II.- Generalidades de los procesos electroqumicos 17
Electroqumica.. 19
Reacciones de oxidacin-reduccin (reac. redox) 20
Celda electroqumica... 21
Electrolitos.. 23
Electrocoagulacin.. 24
Constitucin y construccin de un reactor electroqumico 27
Electrolito soporte . 28
Mecanismo de funcionamiento en el reactor 31
Leyes de Faraday relativas a la electrolisis 32
Velocidad de las reacciones electroqumicas 33
Hiptesis.. 35
Objetivos. 35
CAPTULO III.- Metodologa 36Materiales 38
Reactivos 38
Parmetros de control 39
Caracterizacin fisicoqumica del agua sinttica 39
Curva de calibracin 39
Diseo y construccin de la celda electroltica . 40
Pruebas realizadas en el tratamiento .. 43
Evaluacin de pH . 43
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3
Determinacin de la demanda qumica de oxgeno (DQO) 43
CAPTULO IV.- Resultados y discusin. 45
Espectros de absorcin de Azul.. 45
Determinacin de las condiciones ptimas del tratamiento .. 47
Tratamiento A en ambos reactores (reactor 1: aluminio y reactor 2: hierro) 47
Tratamientos B y C en el reactor 1 (electrodos de aluminio)
Tratamientos B y C en el reactor 1 (electrodos de hierro)
48
53
Pruebas adicionales realizadas a partir de las condiciones ptimas del tratamiento de este
trabajo.. 59
Demanda qumica de oxgeno en el reactor ms eficiente 59
Tratamiento electroqumico para la mezcla de colorantes .. 61
Conclusiones... 66
Referencias. 67
Anexos. 70
Leyes de Faraday.. 71
Espectrofotometra 73
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INDICE DE FIGURAS
FIGURA 1 Esquema bsico de un celda electroqumica
FIGURA 2 Celda con electrodos de aluminio y hierro que con agua solamente a) y
luego de someterla a una determinada corriente provoca un precipitado de
color caf b)
FIGURA 3 Mecanismo en el reactor electroqumico
FIGURA 4 Preparacin de catalizadores
FIGURA 5 Reactor conectado a la fuente de poder, vista de los electrodos y distancia
entre ellos.
FIGURA 6 Vista de las placas de hierro por la que pasa la corriente elctrica.
FIGURA 7 Velocidad de una reaccin AB
FIGURA 8 Metodologa utilizada para el tratamiento
FIGURA 9 Dimensiones de las placas de aluminio para la celda de tratamiento
FIGURA 10 Disposicin de las placas de aluminio en la celda de tratamiento
FIGURA 11 Dimensiones de las placas de hierro para la celda de tratamiento
FIGURA 12 Disposicin de las placas de hierro en la celda de tratamiento
FIGURA 13 Procedimiento de uso del equipo HACH en el tratamiento de agua residual
FIGURA 14 Espectro de absorcin del colorante comestible azul
FIGURA 15 Curva de calibracin del colorante azulFIGURA 16 Resultados de las pruebas utilizadas para determinar la intensidad de
corriente ms eficiente para ambos reactores (Reactor 1 con electrodos de
aluminio, Reactor 2 con electrodos de hierro)
FIGURA 17 Diagrama de distribucin de especies para el aluminio considerando 0.12 M
de+
FIGURA 18 Grfica del tratamiento realizado sin electrolito y con electrolito a 2 A y
pH 7, en el reactor de electrodos de aluminio.
FIGURA 19 Resultados del tratamiento C aplicado en el reactor 1FIGURA 20 Grfica del tratamiento realizado con electrolito y sin electrolito a 2 A y
pH 7, en el reactor de electrodos de hierro.
FIGURA 21 Espectro de absorcin del colorante comestible azul durante el tratamiento
de electrocoagulacin con electrodos de hierro.
FIGURA 22 Diagrama de distribucin de especies para el hierro considerando 0.018M
Fe +2.
FIGURA 23 Diagrama de distribucin de especies para el aluminio considerando 0.018M
de Fe+
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FIGURA 24 Resultados del tratamiento C aplicado en el reactor 2
FIGURA 25 Grfica de resultados obtenidos en pruebas realizadas luego de la
optimizacin del tratamiento midiendo DQO
FIGURA 26 Promedio de resultados que se obtuvieron en la determinacin de DQO a
condiciones ptimas de tratamiento.
FIGURA 27 Grfica de la cintica que sigue el tratamiento de electrocoagulacin en la
remocin del colorante azul.
FIGURA 28 Espectro de absorcin de los colorantes comestibles azul, amarillo y verde.
FIGURA 29 Grficos de absorbancia en funcin de la concentracin del colorante a) azul
y b) amarillo.
FIGURA 30 Grfico de concentracin de colorante en funcin del tiempo para el
tratamiento electroqumico aplicando una intensidad de corriente de 4A sin
adicin de perxido.
FIGURA 31 Grfico de concentracin de colorante en funcin del tiempo para el
tratamiento electroqumico aplicando una intensidad de corriente de 4 A,
adicionando perxido de hidrgeno.
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INDICE DE TABLAS
TABLA 1 Parmetros fsicos del agua utilizados en el control de procesos
TABLA 2 Parmetros biolgicos del agua utilizados en el control de procesos
TABLA 3 Tratamientos de aguas por mtodos electroqumicos
TABLA 4 Materiales utilizados y sus caractersticas
TABLA 5 Reactivos utilizados y sus caractersticas
TABLA 6 Resumen de parmetros fisicoqumicos del agua sinttica
TABLA 7 Frmulas para el clculo de la densidad de corriente de los electrodos
TABLA 8 Condiciones ptimas para eliminar el color artificial presente en el agua
sinttica.
TABLA 9 Resultados de la remocin de color para cada una de las pruebas, despus
de un tiempo de 60 minutos de electrocoagulacin.
TABLA 10 Velocidad de disolucin de los metales basada en las leyes de Faraday.
TABLA 11 Volumen de material (cm3/s) eliminado al pasar una intensidad constante
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RESUMEN
La crisis ambiental sin duda es uno de los retos ms importante que enfrenta la sociedad
actualmente, por lo que la educacin ambiental para el desarrollo sustentable se convierte en
un eje fundamental para revertir el deterioro ambiental.(SEMARNAT 2011)
El pas presenta un desequilibrio entre la disponibilidad hdrica y demanda, existen cuencas
donde se utiliza un bajo porcentaje del agua total disponible, y la otra se utiliza ms del 100%.
Hasta el 2010 a nivel nacional se colectan mediante los sistemas de alcantarillado el 89.9% de
aguas residuales generadas y reciben tratamiento el 43.4% de las aguas residuales colectadas, al
2012 lo anterior se incrementa al 60%.(SEMARNAT 2011)
En este escenario, el principal problema de calidad del agua en el pas la falta de infraestructura
para el tratamiento de aguas residuales debido a los altos costos de los mtodos convencionales.
La elevada concentracin de materia orgnica del agua residual de la industria alimenticia
representa un gran problema ambiental. El establecimiento de regulaciones ms estrictas en
relacin al tratamiento de aguas residuales, esto ha sido de gran inters en la investigacin de
nuevas tecnologas y procedimientos para la descontaminacin del agua. (Roa, 2007)
En este trabajo se presenta una propuesta para el tratamiento de agua sinttica particularmente
utilizando colorantes de la industria alimenticia. Esta propuesta se basa en las Tcnicas o
Procesos Electroqumicos las cuales brindan una gran utilidad para el tratamiento de aguas
residuales industriales y compiten eficientemente con los tratamientos convencionales. (Roa,
2007)
Para comprobar en general la viabilidad del tratamiento mediante un proceso electroqumico serealizaron dos pruebas en diferentes reactores, el primero con electrodos de aluminio y el
segundo con electrodos de hierro. Se efectuaron ensayos para determinar la intensidad de
corriente a utilizar, as como el pH, al igual que la distancia entre electrodos y el rea de
contacto total en el reactor.
Con el uso del reactor tipo batch de electrodos de aluminio se obtiene una remocin del 15.6%
del color presente en el agua en un tiempo de 15 minutos, lo que no indica un buen resultado
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comparado con lo que se obtiene posteriormente con el reactor de electrodos de hierro como se
muestra en las siguientes lneas.
Se obtiene una remocin del 99.9% de color presente en el agua, un 99.9% de Demanda
Qumica de Oxgeno (DQO), utilizando un reactor electroqumico tipo batch de 500mL de
capacidad con electrodos de hierro.
Una vez que se muestran resultados favorables al tener una eficiencia de 99.9% en la remocin
del colorante en el reactor de electrodos de hierro, se efecta una aplicacin de dicho
tratamiento a una mezcla de colorantes.
Se realizaron pruebas con intensidades de corriente de 2 y 4 A, y con adicin de perxido de
hidrgeno en uno de las pruebas, lo cual da como resultados una eficiencia mayor a 4A de
intensidad de corriente y sin la adicin de perxido, donde se observ alrededor de un 96% de
remocin de color azul y de un 93% aproximadamente para el color amarillo.
Por lo que este tratamiento de electrocoagulacin en un reactor electroqumico es una tcnica
til para remover satisfactoriamente el color en el agua sinttica con colorantes de la industria
alimentaria.
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INTRODUCCIN
Una de las mayores necesidades de la sociedad moderna es el de disponer abundante agua para
las actividades cotidianas y el consumo; ante el aumento constante de la poblacin, la enorme
expansin de la industria y la falta de proteccin al ambiente, la disponibilidad de agua en el
planeta ha ido disminuyendo porque la mayor parte de esta se encuentra contaminada. Del total
de agua disponible en ros y pozos de la Repblica Mexicana, el 85% es para uso agrcola, 5%
para uso domstico, 5% para uso industrial y el 2% consumimos.( Kemmer and Mc Callion,
1997)
El agua se considerada el disolvente universal por lo que todo lo que tenga contacto con ella
podr contaminarla o afectarla de alguna manera, es una sustancia altamente reactiva con
propiedades poco usuales y muy diferentes fsica y qumicamente de otros lquidos,
propiedades fsicas tales como densidad, punto de ebullicin, punto de fusin, tensin
superficial, transparencia, olor, color y sabor. (Kemmer and Mc Callion, 1997)
La calidad del agua se determina a partir de anlisis qumicos, fsicos y bacteriolgicos, stos
puede variar desde anlisis sencillos donde se determinan los principales elementos hasta
anlisis ms complejos donde se determinan gran variedad de especies presentes en agua. El
deterioro de la calidad es consecuencia directa del vertido sin previo tratamiento de las aguas
residuales municipales, agrcolas e industriales que contienen grandes cantidades de sustancias
contaminantes que afectarn los cuerpos de agua dependiendo del origen de las aguas, el tipo
de contaminantes y los volmenes descargados. (PROY-NMX-AA-003SCFI-2006)
El sector alimenticio produce una gran cantidad de aguas residuales con altas concentraciones
de compuestos orgnicos tales como azucares, carbohidratos y productos fermentados, que no
son eliminados totalmente por tratamientos fisicoqumicos previos como la coagulacin
floculacin y sedimentacin, o por procesos biolgicos.
Por otro lado, se ha probado que las tcnicas electroqumicas representan una manera eficiente
de remover los contaminantes orgnicos adems de ser mtodos amistosos ambientalmente que
otros mtodos qumicos usados en el tratamiento de agua residual. (Carbajal, et. al. 2012)
Una de las caractersticas del agua residual y que representa un problema es el color, y es
objeto de grandes esfuerzos en mejorar las tecnologas de tratamiento, la coloracin en las
descargas de agua no es solo de la industria textil sino tambin se produce en otras operaciones
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industriales como la absorcin de caf. La elevada concentracin de color y la turbiedad de los
efluentes de aguas residuales son particularmente alarmantes ya que tienen un efecto visual
negativo. (Barrera, et. al. 2002)
Se puede considerar como agua potable a aqulla cuyo uso y consumo no causa efectos
nocivos al ser humano ya que cumple con el reglamento oficial, mientras que el agua purificada
es sometida a procesos fsicos y qumicos y se considera ptima para el consumo humano su
ingestin no causa daos a la salud, y cumple con los requisitos de las Normas Oficiales
Mexicanas. (SEMARNAT, 2006)
Los desafos del agua son grandes y complejos, pero superables, si actuamos con determinacin
y unidad y si el esfuerzo se despliega de forma consistente y continuada. Tenemos que sumar
voluntades, capacidades y recursos. Tenemos que cambiar nuestro modo tradicional de
relacionarnos con el agua; no podemos seguirla viendo como un recurso inagotable, sino como
un bien escaso y costoso que es necesario manejar responsablemente para nuestro beneficio y
para el de las futuras generaciones. (CNA, 2011)
En esta investigacin se presenta una propuesta novedosa para el tratamiento de aguas que
contengan colorantes de la industria alimentaria, la idea es realizar un tratamiento del agua
sinttica utilizando un colorante de alimentos (azul), determinar las mejores condiciones de
eliminacin y posteriormente aplicarlo a una mezcla de colorantes azul y amarillo
incrementando en este caso la concentracin inicial de la mezcla para verificar si el tratamiento
es eficiente tambin para este otro color o mezcla de colores .
Se muestran adems los fundamentos tericos, as como el resumen de la experimentacin
realizada para obtener agua con DQO del 0.01% a partir de agua sinttica la cual contiene agua
potable y una determinada concentracin de colorante alimenticio.
Los objetivos principales son aplicar los fundamentos de los Procesos de Oxidacin Avanzada
(POA) en el desarrollo de una metodologa para remover color de agua con colorante
alimenticio as como comprobar que la tcnica desarrollada es ms eficiente respecto a los
tratamientos convencionales de aguas residuales y que adems se puede acoplar a stos.
En el captulo I se desarrolla la importancia y cantidades de agua presentes en el planeta, as
como la contaminacin y el origen de sta, adems se menciona brevemente lo que son las
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aguas residuales, sus caractersticas y cmo es posible depurarlas consiguiendo la calidad
requerida.
En el captulo II se presentan de manera general los conceptos de los procesos electroqumicos,
electroqumica y lo referente a las celdas electroqumicas, incluyendo algunas normas
implicadas en la propuesta de este proyecto.
En el captulo III se expone la metodologa y fundamentos para el diseo de los experimentos
que corresponden al presente trabajo de tesis.
Finalmente en el captulo IV se muestran los resultados obtenidos en la fase del trabajo
experimental los cuales de discuten y se formulan conclusiones que permiten afirmar la
hiptesis planteada as como cumplir los objetivos propuestos en la degradacin electroqumica
del colorante alimenticio.
En los anexos podremos apreciar los fundamentos correspondientes a la espectrofotometra y
leyes de Faraday.
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CAPTULO I
El Agua
La vida comenz en el agua, al volverse ms complejas y especializadas las cosas vivas,
abandonaron el mar y se asentaron en la Tierra tomando el agua como componente principal de
sus cuerpos, el agua es vida. La molcula del agua no explica por s misma las propiedades
extraordinarias que resultan de su arreglo molecular.
Las tres cuartas partes de la superficie terrestre se encuentran cubiertas de aguas, sin embargo
de la cual el 97.2 % de encuentra en ocanos y mares, 2.15% en hielos y glaciares, 0.62% son
aguas subterrneas, 0.017%, est en lagos y ros, 0.001% en la atmsfera y 0.0001% en los seres
vivos. (Kemmer and Mc Callion, 1997)
El agua ha sufrido una migracin constante en la superficie de la Tierra desde tiempo
inmemorial. Las abundantes fuentes de agua llevaron a los colonizadores a ubicarse al lado de
ros. Las cataratas se volvieron las fuentes principales de potencia en la antigua industria.
(Kemmer and Mc Callion, 1997)
Contaminacin del agua
La contaminacin del agua es la incorporacin de materias extraas a sta, como
microorganismos, productos qumicos, residuos industriales y de otros tipos, o aguas residuales;
dichas materias extraas deterioran la calidad del agua y la hacen intil para los usos que se
pretendan. (Kemmer and Mc Callion, 1997)
El agua contiene sustancias qumicas, fsicas y biolgicas disueltas o suspendidas en ella,adems de organismo vivos que reaccionan con sus elementos fsicos y qumicos.
El color, la espuma y el calor son contaminantes que causan problemas a la calidad del agua
ya no son objetables por razones estticas, tambin limitan la penetracin de la luz y pueden
reducir los niveles de oxgeno disuelto, lo cual altera el equilibrio ecolgico natural del agua.
(Glynn, and Heinke, 1999)
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Adems est demostrado que la introduccin de contaminantes en las fuentes acuferas est
relacionada con la lluvia, la naturaleza geolgica del manto acufero, as como las actividades de
la naturaleza y la actividad humana. (Kemmer and Mc Callion, 1997)
Aguas residuales
Son las aguas de composicin variada provenientes de las descargas de usos municipales,
industriales, comerciales, agrcolas, pecuarios, domsticos y similares, as como la mezcla de
ellas. (PROY-NMX-AA-003-SCFI-2006)
Las aguas residuales de acuerdo a la NOM-002-ECOL-1996, que establece los lmites mximos
permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de
alcantarillado o municipal, se definen como las aguas de composicin variada provenientes de
las descargas de usos municipales, industriales, comerciales, de servicio, agrcolas, pecuarios,
domsticos, incluyendo fraccionamientos y general cualquier otro uso, as como la mezcla de
ellas.
Tipos de contaminacin
Se puede clasificar la contaminacin del agua de diferentes maneras pero en este caso se
consideran las ms generales y son dos tipos de contaminacin, la natural y la artificial.
Contaminacin natural: es la que existe siempre originada por restos de animales y vegetales y
por minerales y sustancias que se disuelven cuando los cuerpos de agua atraviesan los
diferentes terrenos.
Contaminacin artificial: sta va apareciendo a medida que el ser humano interacta con el
ambiente (contaminacin antropognica) y surge con la inadecuada aglomeracin de laspoblaciones y como consecuencia del crecimiento desmesurado y sin control alguno de
industrias, desarrollo y progreso. Es gravsima, ya que al ser utilizada para lavado, enfriamiento
de equipos, refrigeracin y diversos procesos industriales etctera, el agua regresa a su ciclo con
altos niveles de contaminacin.
Los efectos de la contaminacin del agua afectan ambiente y consecuentemente al ser humano,
debido a que el ser humano la utiliza para sus diversas actividades contaminndola sin tener
conciencia de la importancia de tratarla adecuadamente para volverla a utilizar, esta situacin
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ha ocasionado que la cantidad de agua dulce en el planeta vaya disminuyendo al pasar los das.
(Gutirrez, 2007)
Depuracin de aguas
Es el nombre que se le da a los distintos procesos implicados en la extraccin tratamiento y
control sanitario de los productos de desecho que son arrastrados por el agua y procedentes de
viviendas e industrias.
En el tratamiento de aguas residuales tradicionalmente se tiene un tren de tratamiento en el
cual se reduce la carga de contaminantes del vertido y convertirlo en inocuo para el ambiente.
Parmetros de la calidad de las aguas
Las descargas de agua industrial, de servicios o comercios, deben cumplir con una serie de
parmetros de acuerdo a la normatividad del lugar donde se realice sta. Una de las pruebas
ms importantes de la Demanda Qumica de Oxgeno (DQO), la cual se encontr que es muy
utilizada para evaluar procesos fisicoqumicos de tratamiento de aguas (Gutirrez, 2007) esto
debido a que es una prueba rpida (de 2.5 a 3 horas) sencilla y econmica.
Algunos de estos parmetros se utilizan en el control de procesos de tratamiento realizando
mediciones de forma continua y discreta; se pueden clasificar en cuatro grupos: fsicos,
qumicos, biolgicos y radiolgicos. (Lapea, 1999)
El abastecimiento de agua para uso y consumo humano con calidad adecuada es fundamental
para prevenir y evitar la transmisin de enfermedades gastrointestinales y otras, para lo cual se
requiere establecer lmites permisibles en cuanto a sus caractersticas microbiolgicas, fsicas,organolpticas, qumicas y radiactivas, con el fin de asegurar y preservar la calidad del agua en
los sistemas, hasta la entrega al consumidor. (NOM-127-SSA1-1994)
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Parmetros fsicos
La Tabla 1 muestra la descripcin de lo que son los parmetros fsicos que se consideran para
la calidad del agua.
TABLA 1.- Parmetros fsicos del agua utilizados en el control de procesos (Lapea, 1999)
Parmetro Descripcin
Sabor y olor Son determinaciones organolpticas de determinacin subjetiva, para las
cuales no existen instrumentos de observacin y medicin.
Color Es la capacidad de absorber ciertas radiaciones del espectro visible, no se
le atribuye ningn constituyente exclusivo, aunque ciertos colores en aguas
indican la presencia de ciertos contaminantes, por ejemplo el color
amarillento inducidos por materiales orgnicos como los cidos hmicos, la
presencia de hierro puede darle un color rojizo.
Turbidez Es la dificultad del agua para transmitir la luz debido a materiales
insolubles en suspensin, coloidales o muy finos que presentan
generalmente las aguas superficiales son difciles de decantar o filtrar.
Conductividad y
resistividad
La conductividad elctrica es la medida de la capacidad del agua para
conducir la electricidad, por lo tanto es indicativa de la materia ionizable
total presente en el agua, proviene de un cido, una base o una sal disociada
en iones. La temperatura modifica mucho la conductividad de una solucin.
La resistividad es la medida recproca de la conductividad
Parmetros qumicos
Dureza, pH, alcalinidad, coloides, acidez mineral, slidos disueltos, slidos en suspensin,
slidos totales, residuo seco, cloruros, sulfatos, nitratos, fosfatos, fluoruros, slice, bicarbonatosy carbonatos, otros componentes aninicos, sodio, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso,
metales txicos, gases disueltos, (Lapea,1999)
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Parmetros biolgicos
La Tabla 2 muestra los parmetros biolgicos utilizados pata el control de procesos y determinar
la calidad del agua.
TABLA 2.- Parmetros biolgicos del agua utilizados en el control de procesos (Lapea,1999)
PARMETRO DESCRIPCIN
Demanda
Bioqumica de
Oxgeno
Se obtiene mediante una prueba emprica estndar y mide la cantidad de
oxgeno utilizado para la biodegradacin de materia orgnica e inorgnica
contenida en una muestra, la prueba usa tiempo fijo de incubacin, en un
perodo 5 das (DBO5) es la ms empleada. Puede medirse el oxgeno
hasta que no haya modificacin alguna en la concentracin de ste, lo que
puede tomar 30 y 90 das de incubacin (DBO ltima). Se determina el
oxgeno disuelto al inicio y al final del tiempo de incubacin
preestablecido, la DBO es la diferencia entre la concentracin inicial y
final del oxgeno.
Carbn Orgnico
Total
Es una medida del contenido de materia orgnica del agua, especialmente
aplicable a pequeas concentraciones; el carbn orgnico se oxida a CO2
en presencia de un catalizador y se mide en un analizador infrarrojo.
Demanda Qumica de Oxgeno (DQO)
Es la medida del oxgeno necesario para oxidar la materia orgnica e inorgnica susceptible de
oxidacin contenida en una muestra, su determinacin se basa en la oxidacin energtica de la
materia orgnica e inorgnica que se encuentra en el agua, en un medio fuertemente cido con
una solucin valorada de dicromato de potasio. Los valores de ste parmetro se asocian al
grado de avance de oxidacin de los contaminantes por lo que la determinacin seriada de la
DQO es una herramienta til de seguimiento del proceso.
La reaccin principal sin balancear para este proceso es la siguiente:
7 +
, +
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CAPTULO II
Generalidades de los procesos electroqumicos
La creciente demanda de la sociedad para la descontaminacin de aguas contaminadas de
diversos orgenes, materializada en regulaciones cada vez ms estrictas, ha impulsado al
desarrollo de nuevas tecnologas de purificacin.
La aplicacin de los mtodos de tratamiento debe tener en cuenta la naturaleza y las
propiedades fisicoqumicas de las aguas o efluentes a tratar. Las aguas contaminadas por la
actividad humana generalmente pueden tratarse eficientemente por plantas de tratamiento
biolgico, por adsorcin con carbn activado u otros adsorbentes o por tratamientos qumicos
convencionales (oxidacin trmica, cloracin, ozonizacin, etc.)
Sin embargo en algunos casos estos procedimientos resultan inadecuados para alcanzar el grado
de pureza requerido por la ley o el uso ulterior del efluente tratado. En estos casos es posible
utilizar un proceso electroqumico el cual actualmente es muy poco aplicado y difundido.
(Curso- taller, CIRA, 2005)
Actualmente los tratamientos de agua residual requieren adaptarse a la legislacin vigente, los
mtodos electroqumicos resultan una interesante opcin al observar las reacciones simultneas
que ocurren mientras se realizan dicho mtodos.
En Mxico, la calidad de las aguas residuales que pueden ser vertidas a los diferentes cuerpos
de agua est reglamentada por las Normas Oficiales Mexicanas (NOM). A continuacin se
explica de manera breve el contenido de cada una de ellas:
NOM-001-SEMARNAT-1996: Trata de los lmites mximos permisibles decontaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales.
NOM-002-SEMARNAT-1996: Trata de los lmites mximos permisibles de
contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o
municipal.
NOM-003-SEMARNAT-1996: Trata de los lmites mximos permisibles de
contaminantes para las aguas residuales tratadas que se reusen en servicio al pblico.
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Principios similares son usados para remover contaminantes de diferente naturaleza usando
algunas tcnicas como se muestra en la Tabla 3:
TABLA 3.- Tratamientos de aguas por mtodos electroqumicos (Barrera, 2003)
TCNICA PRINCIPIOElectrodilisis Emplea bajas corrientes elctricas como agente limpiador. Buen
removedor de flujos de iones metlicos as como componentes
orgnicos, y algunos que contienen contaminantes slidos.
Electrocoagulacin El proceso electroqumico genera numerosos flocs que permiten
alcanzar alta eficiencia en la limpieza del agua residual.
Electro-smosis La electricidad es aplicada para dirigir la migracin de los iones
disueltos en el agua, forzndolos a moverse a travs de los capilares.
La mayora de los procesos electroqumicos pueden aplicarse a la remediacin y
desintoxicacin de aguas especiales a pequea y mediana escala, los mtodos pueden usar se
solos o combinados entre ellos o con mtodos convencionales, pudiendo ser aplicados a
contaminantes de aire y suelos adems permiten la desinfeccin por inactivacin de bacterias y
virus. (Barrera, 2003; Koene and Janssen, 2002)
Los procesos electroqumicos son especialmente tiles como un pretratamiento antes de un
tratamiento biolgico para contaminantes resistentes a la biodegradacin o como proceso
postratamiento para efectuar un pulido de las aguas de la descarga a los cuerpos receptores.
Otra alternativa con los Procesos Avanzados de Oxidacin (PAOs) que consiste en generar el
radical hidroxilo (OH) que por tener un alto potencial redox degrada o mineraliza materia
orgnica refractaria. (HOLT, 2006)
Muchos son los estudios que comprueban la eficiencia de los mtodos electroqumicos y
Procesos de Oxidacin Avanzados (PAOs). (Brillas, et.al., 2003; Spyrkowicz, et. al., 2000;Giomo, et. al., 2000; Bandala, et. al.2002 )
Las ventajas de los procesos electroqumicos son:
No solo cambian la fase del contaminante, sino que lo transforman qumicamente.
Generalmente se consigue la mineralizacin completa del contaminante.
Usualmente se controla la generacin lodos o en ocasiones no hay presencia de stos.
Muy tiles para contaminantes refractarios que resisten otros mtodos de tratamiento.
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Sirven para tratar contaminantes a muy baja concentracin (ppb).
No se forman subproductos de reaccin o se forman en baja concentracin.
Ideales para disminuir la concentracin de compuestos formados por tratamientos
alternativos.
Mejoran las propiedades organolpticas del agua tratada.
Consumen menor energa que otros mtodos.
Permiten transformar contaminantes refractarios en productos disponibles para aplicar
un mtodo ms econmicos como el tratamiento biolgico.
Eliminan efectos sobre la salud de desinfectantes y oxidantes residuales como el cloro.
Se considera un proceso que ayuda a la desinfeccin.
La tecnologa electroqumica contribuye de muchas formas a la purificacin del ambiente ycubre un amplio rango de tecnologa. Por ejemplo, la generacin de energa usando bateras,
celdas electroqumicas, remocin de impurezas de procesos lquidos, aire y tierra, reciclando las
corrientes de los procesos y los sensores. La electroqumica ambiental abarca tcnicas o
mtodos que remueven impurezas para prevenir o minimizar la contaminacin ambiental;
particularmente emisin a la atmsfera, descargas contaminantes en aguas y disposicin de
slidos en suelos.
Para comprender adecuadamente los procesos de electroqumica a continuacin se presentanalgunos fundamentos.
Electroqumica
Durante la dcada pasada, algunos investigadores se han dado a la bsqueda de mejores
tecnologas aplicables en el tratamiento de aguas residuales, es as como las tcnicas
electroqumicas han ganado especial atencin, sobre todo en los pases desarrollados. (Aplin
and Waite, 1998; Ibaez et. al., 1998; Mollah, 2001; Can et.al, 2003)
stas se han aplicado para la remocin de grandes cantidades de sustancias fundamentalmente
orgnicas e inorgnicas, ya que las reacciones involucradas, facilitan la oxidacin de los
contaminantes y permiten el eficaz aprovechamiento de la energa puesto que se puede
controlar adecuadamente la cantidad que se necesita aadir al sistema lo que resulta en una
menor cantidad de lodos producidos. Una ventaja adicional a lo anterior, es que este tipo de
metodologas tienen tambin cuantiosos efectos bactericidas. (Rajeshwar et.al., 1994; Brillas
and Casado, 2002)
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Es el estudio de las relaciones entre la electricidad y las reacciones qumicas, es decir es la
rama de la qumica que estudia los cambios qumicos que produce una corriente elctrica y la
generacin de electricidad mediante reacciones qumicas. (Brown and Lemay, 2004)
Los procesos electroqumicos son reacciones redox (reacciones de oxidacin -reduccin)
donde la energa liberada por una reaccin espontnea se transmite en forma de electricidad, o
bien; la electricidad se utiliza para inducir una reaccin qumica no espontnea a lo cual se le
conoce como electrlisis. (Chang, 1998)
Antes de abordar las tecnologas electroqumicas, es necesario explicar de manera general en
qu consisten los cambios qumicos de oxidacin-reduccin, para que de este modo sea ms
fcil la compresin de las reacciones que ocurren en las aguas residuales que son sometidas a
este tipo de tratamientos.
Reacciones de oxidacin reduccin (reaccin redox)
Son las reacciones en las que un material se oxida y otro se reduce, con un cambio neto de cero
en el balance elctrico del sistema debido a que hay el mismo nmero de cargas negativas y
positivas. (Kemmer and Mc Callion, 1997)
En toda reaccin redox debe haber una especie qumica que se oxide y otra que se reduzca,
decir; si una sustancia que pierde electrones se oxida y la que gana electrones se reduce. La
sustancia que hace posible que otra sustancia se oxide es el agente oxidante y este entonces se
reduce, por el contrario, un agente reductor es una sustancia que cede electrones y entonces se
oxida. (Brown and Lemay, 2004)
Sea cual fuere el proceso redox (donde la energa liberada por la reaccin espontnea se
convierta en electricidad o la energa elctrica se aproveche para provocar un cambio noespontneo), se presenta una modificacin en el estado de oxidacin de las especies
involucradas. (Kiely, 1999)
Especie Oxidada + ne- Especie Reducida
Donde ne- representa la transferencia de n unidades de carga e-, de tal modo que un
sistema completo de oxidacin-reduccin, est formado por un par de semirreacciones
individuales:
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Ox1 + ne- Red1
Red2 - ne- Ox2
Por lo tanto la reaccin completa es:
Ox1 + Red2 Red1 + Ox2
En electroqumica es importante resaltar que las reacciones en una celda las cuales son llamadas
semirreaciones por lo que se explica en el siguiente texto.
Celda electroqumica
Es un dispositivo que posee dos electrodos sumergidos en una solucin electroltica apropiada,
su aplicacin ms comn es la galvanotecnia y tambin es usada en los procesos
electroqumicos. La Figura 1 muestra un esquema bsico de una celda electroqumica.
(Molera, 1989)
Figura1. - Esquema bsico de una celda electroqumica. (Molera, 1989)
Con su utilizacin, se persigue maximizar el transporte de masa desde las especieselectroactivas hasta la superficie tanto del ctodo como del nodo. Bsicamente consisten de un
contenedor para la solucin conductora (llamada celda), los electrodos y las conexiones externas
entre stos y la fuente de poder o potencimetro.
Muchas caractersticas de una celda electroqumica se pueden explicar en funcin de si la
reaccin qumica es o no espontnea y de los requerimientos de conduccin de electrones a
travs del circuito, en donde es necesario evitar la acumulacin de carga en cualquier punto del
sistema.
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Es importante recordar que los electrodos al ser metlicos poseen la caracterstica de ser buenos
conductores de calor y electricidad, presentan el efecto fotoelctrico que consiste en la emisin
de electrones cuando son sometidos a la radiacin de una determinada energa y; de acuerdo a la
Teora del mar de electrones los electrones se mueven con libertad por todo el metal entre los
iones positivos, lo que les da una alta conductividad elctrica al aplicarles un potencial elctrico.
Lo anterior ocasiona que puedan combinarse unindose a especies inestables que posean carga
positiva y con ello el desgaste de las placas del electrodo. En la Figura 2 se muestra una celda
con electrodos de hierro y aluminio, primero con agua del grifo y luego de un tiempo de
aplicarle corriente se forma un precipitado de color caf, dado que existe una reaccin la cual
el promovida por la presencia de iones en el agua.
Figura 2. Celda con electrodos de aluminio y hierro que con agua solamente a) y luego de someterla a una
determinada corriente provoca un precipitado de color caf b) (Chang, 2006)
De acuerdo con ello existen dos tipos de dispositivos electroqumicos, los cuales son:
Celdas galvnicas:en stas se da la transformacin de energa obtenida durante una reaccin
qumica a energa elctrica, con el consiguiente movimiento de los electrones.
Celdas electrolticas: son las ms empleadas en estudios electroanalticos, su funcionamientose basa en la transformacin de energa elctrica a energa qumica, cuando la primera se aporta
por medio de un generador de voltaje externo a travs de una diferencia de potencial. (Nez
and Pelez, 1997)
Para ambos casos, resulta importante considerar las cargas en los electrodos: en el nodo de una
celda galvnica (donde la oxidacin es espontnea) hay un exceso de e-, contrariamente en una
celda electroltica (en la cual el proceso de oxidacin es forzado) existe una pequea cantidad
de e-y por ende, carga positiva, de tal manera que los signos se invierten.
ba
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Independientemente del tipo de celda electroqumica de la que se trate, la interfase ctodo y/o
nodo-electrolito es el componente ms importante, ya que funciona como vnculo entre el
conductor electrnico (electrodo) y el inico (electrolito). Al mismo tiempo sirve para
completar el circuito elctrico limitando sus propiedades la respuesta de la celda y su funcin
como sensor analtico. (Brett y Oliveira, 1994)
Electrolitos
Es posible clasificar a los solutos segn si existen o no como iones en disoluciones acuosas, los
que se encuentran como iones en las soluciones acuosas se denominan electrolitos, por ejemplo
el cloruro de sodio tiene iones de Na y Cl , esta sustancia se disuelve en agua para formar los
iones hidratados de Na+ y Cl- y se dice que los compuestos que se ionizan (o disocian) por
completo en el agua son electrolitos fuertes. La mayora de las sales son electrolitos fuertes,
algunos metales pesados forman electrolitos dbiles, la mayora de los cidos son electrolitos
dbiles. (Brown and Lemay, 2004)
Se le conoce as a las soluciones inicas, y esta existen cuando el agua disuelve a un mineral, lo
que sucede es que el mineral sufre una ruptura en forma de aniones y cationes con carga
negativa y carga positiva respectivamente. Dichos iones le dan al agua la capacidad de conducir
la electricidad, ya que si se sumergen dos electrodos en la solucin electroltica y se aplica una
corriente continua entonces habr conduccin de electricidad por la forma en que se comportan
los iones en solucin. (Kemmer and Mc Callion, 1997)
Cuando ambos sistemas electroqumicos se acoplan, un electrodo suministra los electrones y el
otro los admite. Mediante la variacin del potencial aplicado a travs de la fuente externa, se
puede controlar de manera precisa la proporcin en la cual las cargas elctricas sonintercambiadas. Esto puede ocurrir a travs de dos diferentes mecanismos mediante una
transferencia forzada (situacin que se presenta en las celdas electrolticas) o de manera natural
como sucede en las bateras y celdas galvnicas. (Pletcher, 1991; Crow, 1994; Chang, 1999)
Con estos conceptos es ms fcil explicar los procesos electroqumicos que suceden en una
celda de electrolisis como la electrocoagulacin que se presenta a continuacin.
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Electrocoagulacin
En esencia la electrocoagulacin es un mtodo electroqumico que involucra la generacin de
coagulantes in situ por disolucin elctrica de los iones Al 3+ o Fe2+ de sus respectivos
electrodos. La generacin de los iones metlicos toma lugar en el nodo, mientras que en el
ctodo se lleva a cabo la liberacin de hidrgeno. El gas hidrgeno liberado podra ayudar a la
flotacin de los flculos fuera del agua, este proceso es llamado electroflotacin. (Chen, 2004;
Holt, et. al. 2005)
La corriente elctrica suministrada proporciona al sistema la fuerza electromotriz (FEM) que
desencadena una serie de reacciones que buscan desestabilizar las molculas contaminantes,
produciendo partculas slidas menos coloidales y menos emulsionadas o solubles. Esto ocurre
cuando los contaminantes forman componentes hidrofbicos que se precipitan o flotan,
facilitando su remocin por algn mtodo de separacin secundario. (Lai and Lin,, 2004; Holt,
et. al. 2006)
El proceso de electrocoagulacin es utilizado en la remocin de contaminantes de diversos
orgenes, tales como la industria de la galvanoplastia, industria del papel, industria metalrgica
en la eliminacin de trazas de plomo, cromo, mercurio y arsnico, de igual manera es utilizado
en la remocin de grasas y aceites provenientes de la industria petroqumica, efluentes de la
industria textil y alimentaria y finalmente en los ltimos aos ha sido utilizada para la remocin
de contaminantes en aguas de consumo humano. (Mollah et. al., 2001)
La electrocoagulacin presenta una novedad y una alternativa innovadora en la cual existe un
sacrificio del metal en el nodo. Esta es la mayor ventaja de proveer cationes activos requeridos
para la coagulacin, sin un incremento de salinidad en el agua.
Electrocoagulacin involucra la oxidacin del metal del nodo con la formacin simultnea de
iones hidroxil y la formacin de hidrgeno gaseoso en el ctodo. La electrocoagulacin ha sidopropuesta como un mtodo de tratamiento de aguas. En 1909 en los Estados Unidos, J. T
Harries recibi la patente por tratamiento de aguas residuales por medio de la electrlisis con el
empleo de nodos de hierro y aluminio (ecuacin 1 y 2).
+ (1)
20 2 2 (2)
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Matteson describe en los 40s el Coagulador Electrnico con disolucin electroqumica de
Al (del nodo) en solucin, la reaccin de este ion hidroxil (del ctodo) resulta en la formacin
de hidrxido de aluminio. El hidrxido flocula y coagula los slidos suspendidos purificando el
agua. Un proceso similar fue utilizado en Inglaterra en 1956 donde se utilizaron electrodos de
hierro en el tratamiento de agua de ro.
El proceso de electrocoagulacin en la actualidad ha recobrado gran inters debido a la amplia
posibilidad de aplicaciones y las ventajas que presenta ante los procesos de tratamiento de
efluentes convencionales, entre las cuales se pueden mencionar:
Los equipos son simples y de fcil operacin
Elimina uso o reduce los productos qumicos
Alta efectividad en la remocin de un amplio rango de contaminantes
Purifica el agua y permite su reciclaje
Genera lodos mas compactos y en menor cantidad
Los contaminantes son elevados a la superficie del agua por las burbujas, donde pueden
ser removidos con facilidad
El agua trata por electrocoagulacin contiene menor cantidad de slidos disueltos, los
cual reduce el costo de tratamiento en caso de tratarse de efluentes de reuso.
Sin embargo presenta algunos inconvenientes los cuales estn relacionados con el suministro
de energa y la vida de los electrodos.
Puede ser un tratamiento costoso si no de suministra correctamente la energa elctrica
Es necesario reemplazar los electrodos debido a su sacrificio
El xido formado en el nodo, en ocasiones puede disminuir la eficiencia del uso de
energa elctrica y del proceso. (Chen, 2004; Holt, et. al.,2005)
En la actualidad la electrocoagulacin es regida por un pequeo nmero de compaas
alrededor del mundo, una gran variedad de diseos han sido probados pero no existe un diseo
predominante.
Pero es claro que la electrocoagulacin tiene la capacidad de remover una gran cantidad de
contaminantes bajo condiciones especficas en el contenido de: slidos en suspensin, metales
pesados, productos derivados del petrleo, color, etc.
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La electrocoagulacin se ve claramente influenciada por variables como el pH, el tipo y la
concentracin del contaminante, la estabilidad del floculo y los aglomerados. El mecanismo
dominante que se presenta en este tipo de reacciones es el siguiente: (Holt, 2006)
Figura3. Mecanismo en el reactor electroqumico (Holt, 2006)
Una corriente de agua es pasada a travs de un electrodo del metal correspondiente oxidando
el metal (M) a su catin (Mn+) (ecuacin 1), simultneamente el agua es reducida a hidrgeno
gas y al ion hidroxil (OH-)(ecuacin 2).
Los cationes hidrolizados en agua forman un hidrxido con las especies determinadas por el
pH en solucin. Ecuaciones 3-6 ilustran lo anterior para el caso de aluminio.
+ + + (3)
pH +
()
+ + (4)
()+ ()
+ (5)
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() ()
+ (6)
Durante la electrocoagulacin mediante el uso de electrodos de aluminio, ocurren
fundamentalmente tres procesos:
1. Reacciones electrolticas en la superficie de los electrodos, las cuales se observan en las
siguientes ecuaciones:
nodo: Al0 Al3+(ac) + 3e- oxidacin
Ctodo: 3H2O + 3e- 3/2 H2 + 3OH- reduccin
2. Si el potencial andico es suficientemente alto: formacin de sustancias coagulantes en
la fase acuosa.
3. Adsorcin o precipitacin de los contaminantes coloidales o solubles, sobre los
coagulantes electrogenerados y su posterior remocin por sedimentacin o flotacin.
Constitucin y construccin de un reactor electroqumico
La base terica para disear un reactor es la cintica de la reaccin, el estudio de una reaccin
qumica puede hacerse desde el punto de vista termodinmico o el cintico; el estudio
termodinmico permite conocer la posicin en la cual la reaccin alcanzar el equilibrio,
mientras el estudio cintico permite conocer la velocidad con la que ocurre la reaccin qumica.
Si la reaccin es reversible, entonces la velocidad est en funcin de la concentracin de los
reactivos.
Ley de accin de masas: la velocidad a la que se produce una reaccin qumica es proporcional
a la concentracin de cada uno de los reactivos, todo esto considerando que todas las reacciones
son reversibles.
En cuanto al enfoque termodinmico, un sistema est en equilibrio si cualquier desplazamiento
por pequeo que sea causa un aumento de energa o disminucin de entropa.
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Y se llega a un punto en el que la velocidad de reaccin directa es igual a la velocidad de
reaccin inversa, llegando a un equilibrio dinmico (estudiado por Gibbs), de acuerdo a la
reaccin:
Existen diferentes diseos de reactores electroqumicos que operan en lote o de manera
continua pueden estar elaborados con electrodos de aluminio o hierro, electrodos de malla o
electrodos en forma de plato. (Holt et. al, 2002)
En el caso del reactor tipo batch o el lote, ste opera a un volumen definido de agua a tratar en
un ciclo y generalmente los reactivos son precargados, por lo que tiene la ventaja de ser de fcil
operacin y bajo costo para el tratamiento localizado de aguas, tienen como desventaja las
condiciones del sistema cambian respecto al tiempo (temperatura, pH).
Otra cuestin importante en el diseo de un reactor es el uso de la flotacin o sedimentacin
para la separacin del contaminante una vez que se ha realizado el proceso de coagulacin. Son
llamados reactores solo de coagulacin aquellos que no aprovechan las burbujas liberadas en la
electrocoagulacin para separa los agregados del contaminante por flotacin, mientras que los
reactores en los que se aprovechan las burbujas generadas para realizar este proceso reciben el
nombre de reactores de coagulacin y flotacin. (Holt et. al, 2005)
Electrolito soporte
El uso de un electrolito soporte el cual funcionar como catalizador, cabe mencionar que
existen catalizadores slidos no soportados y catalizadores slidos soportados (Figura4).
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Figura4. Preparacin de catalizadores
Dentro de los catalizadores slidos soportados se tiene que en fase acuosa se utiliza un
procedimiento mecnico para activarlo mediante un proceso qumico y que ste funcione, tal es
el caso del soporte de precursores disueltos en fase acuosa donde se encuentra el de intercambio
inico que consiste en tomar un soporte que contenga iones y se sustituyen esos cationes o
aniones por lo que se quiere soportar.
El reactor electroltico, donde se realiza la electrocoagulacin, es un recipiente de termoplstico
como en que observa en la Figura 5, consta de una fuente de energa para inducir la corriente
elctrica y de electrodos dispuestos en forma intercalada dentro del reactor, stos van cubiertos
por el agua a tratar. El material de los electrodos vara de acuerdo al tipo de sistema utilizado,
stos pueden ser de aluminio, cobre acero o aleaciones de aluminio y magnesio. Los electrodos
son de sacrificio, segn Faraday, debido a que en el proceso electroltico desprenden en el agua
iones que desestabilizan los coloides. (Holt et. al, 2002; Caizares et. al., 2006; Molera, 1989)
Catalizadores slidos NO
soportados:
Mezcla L-L
Mezcla S-S
Mezcla S-L
Transformaciones
Catalizadores slidos
soportados:
Fase acuosa
Fase orgnica
Fase vapor
Fase slida
Procedimientos mecnicos
Activacin mediante
procesos trmicos y
qumicos
Catalizador final
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Figura5. Reactor conectado a la fuente de poder, vista de los electrodos y distancia entre ellos (I. Linares-Hernndez
et al., 2007)
En los electrodos se generan microburbujas de hidrgeno y oxgeno que chocan y se adhieren a
los flculos, arrastrndolos a la superficie del lquido donde se forma una espuma que puede ser
removida mecnicamente. Tambin las burbujas dentro del reactor ayudan a que los
contaminantes floten. (Morante, 2002)
Las propiedades fisicoqumicas de los contaminantes, por ejemplo de los iones orgnicos e
inorgnicos son probablemente electroprecipitados mientras que los slidos suspendidos son
adsorbidos por el coagulante. (Holt et. al, 2002)
Es muy importante el diseo del reactor ya que de las caractersticas de ste depende la
eficiencia del proceso. En general entre menor es la distancia entre los electrodos mayor ser la
actividad de las molculas involucradas en la reaccin electroqumica. En la Figura 6 se
muestran las dimensiones de las placas montadas en el reactor electroqumico de electrodos dehierro, primero (inciso a) se observa la vista frontal de la placa y en el inciso b) se observa el
espesor de la placa utilizado en el reactor 2 con electrodos de hierro. (Robinson 1974)
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Medidas de la placa de hierro
Espesor de la placa de hierro
Figura6- Vista de las placas de hierro por la que pasa la corriente elctrica.
Mecanismo de funcionamiento en el reactor
Se han utilizado diversos reactores electroqumicos para este estudio los cuales funcionan
debido a los principios de una celda electroqumica y Leyes de Faraday y se diferencian por el
material de los electrodos. (Molera, 1989)
El tratamiento electroqumico consiste en hacer pasar una corriente de 2A en los electrodos
sumergidos en el agua residual el llamado nodo de sacrificio se desgasta liberando iones
ferrosos (Fe2+) el agua, desestabilizando as coloides que permiten que se remueva la materia
suspendida y coloidal del agua residual, ya que los iones Fe2+ reaccionan con los sulfuros y
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sulfatos formando compuestos insolubles que son eliminados del agua residual por el efecto
de las pequeas burbujas de hidrgeno y oxgeno producidas durante la hidrlisis del agua, las
cuales tienen un tamao promedio de 100 micrmetros, stas de adhieren a las partculas
suspendidas y las arrastran hasta la superficie del volumen de control formando una espuma
que puede ser removida por medios mecnicos; este proceso es conocido como
electroflotacin.(Martnez., 2004)
Es importante considerar que en aguas dulces los coloides se estabilizan por sorcin de materia
orgnica que les impone una gran carga negativa, la floculacin y la agregacin (coagulacin)
se da pues la fuerza inica y las concentraciones de Ca+ y Mg+ neutralizan parcialmente la
carga negativa superficial. (Rodrguez, Mellado Et. Al. 1999)
Adems de que la electroflotacin tiene sus bases en la coagulacin floculacin. As como
tambin el mecanismo se basa en los principios de las Leyes de Faraday y la electroqumica,
donde se tiene un nodo de sacrificio que es el que desgastar durante el proceso para formar las
partculas coloidales que permiten remover el color del agua residual.
Leyes de Faraday relativas a la electrolisis (anexo 1)
Primera: Las cantidades de sustancia separada por electrlisis son proporcionales a la cantidad
de electricidad que atraviesa la disolucin.
mS= A
Donde:mS= masa de la disolucinA= amperesSegunda: La masa depositada de una sustancia es directamente proporcional al equivalente
qumico del in, es decir, al peso atmico del in dividido por su valencia.
mD= (peso atmico ion) /valencia
Donde:
mD= masa depositada
Este proceso explicado por Faraday tiene dos partes la primera mitad es la electrodeposicin o
galvanotecnia y la otra es el desprendimiento de partculas de metal.
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Estas leyes cumplen rigurosamente con el patrn internacional para la medida de la unidad de
corriente elctrica, el amperio, se basa en estas leyes. La intensidad de un amperio es aquella
corriente invariable que en un segundo de tiempo deposita 0.00111815 gramos de plata de una
disolucin de nitrato de plata. La relacin entre la masa de la plata depositada y la corriente es
rigurosamente lineal, con que es posible calcular la cantidad de material desprendido o
depositado, cuando el proceso se acelera debido al paso de una corriente mucho ms
intensa.(Molera, 1989)
En una celda electroqumica la energa qumica se transforma en energa elctrica. Lo cual se
relaciona en la siguiente expresin:
=
=
=
Donde:
z: es el nmero de oxidacin del ion formado
F: constante de Faraday igual a 96500
Q: carga (C)
t:tiempo (s)
n:nmero de moles
i: intensidad de corriente (A)
Para evaluar el funcionamiento de las celdas electroqumicas es importante estudiar con que
velocidad se eliminan los contaminantes, a continuacin se presenta un resumen de este tema.
Velocidad de las reacciones electroqumicas
Recordando que una reaccin qumica es un proceso mediante el cual se genera un cambio
qumico, y que ste ocurre con diferente velocidad, es entonces que se define a la velocidad de
reaccin como el cambio en la concentracin de un reactivo o de un producto respecto al tiempo
(M/s).
De manera general en una reaccin qumica AB se puede hablar de una disminucin en la
cantidad de molculas de A y el incremento de molculas de B respecto al tiempo, es decir:
=
o =
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Donde [A] y [B] son los cambios en la concentracin (molaridad) en un determinado
periodo t, debido a que la concentracin de A disminuye en un determinado tiempo [A] es
una cantidad negativa, por otro lado la velocidad de reaccin o en este caso la velocidad de
formacin de B en una cantidad positiva (Figura 7). Estas velocidades son velocidades
promedio porque representan en promedio en cierto periodo t. (Chang, 1999)
Figura 7. Velocidad de una reaccin AB
Experimentalmente la velocidad de una reaccin se mide por la concentracin del reactivo o delproducto como una funcin de tiempo. Para las reacciones en disolucin, la concentracin de
algunas especies se puede medir por mtodos espectroscpicos. Si estn involucrados iones
tambin se puede medir por conductividad elctrica. Al utilizar mtodos espectroscpicos se
realizan graficas de absorcin (eje vertical) contra longitud de onda (eje horizontal).
Cabe destacar que cada molcula en movimiento posee energa cintica y cuanto ms rpido se
mueva sta ser mayor. Pero una molcula que se mueve con rapidez no se romper en
fragmentos por s misma. Para reaccionar debe chocar con otra molcula. Cuando las molculas
chocan parte de su energa cintica se convierte en energa vibracional. Si la energa cinticainicial es grande, las molculas que chocan vibrarn tan fuerte que se rompern algunos enlaces
qumicos. Esta fractura es el primer paso hacia la formacin del producto. Si la energa cintica
inicial es pequea, las molculas rebotarn entre s intactas. Pues las fuerzas intramoleculares
de los enlaces en las sustancias requieren de una gran cantidad de energa comparada con la
requerida para la misma sustancia en sus fuerzas intermoleculares.
Para que haya una reaccin, las molculas que chocan debern tener una energa cintica total
igual o mayor que la energa de activacin (Ea), que es la mnima cantidad de energa que se
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requiere para iniciar una reaccin qumica. Cuando las molculas chocan forman un complejo
activado, una especie formada temporalmente por las molculas de los reactivos, como
resultado de la colisin antes de formar el producto. (Chang, 1999)
El complejo activado es una especie inestable porque tiene una energa superior tanto a la de
los reactivos como a la energa de los productos.
Con base en lo anterior el objetivo es la eliminacin de un colorante artificial comestible
utilizando electrodos de hierro y aluminio para aplicar un tratamiento de electrocoagulacin,
con la finalidad de dar una alternativa para eliminar color en medios acuosos.
HIPTESIS
Empleando un tratamiento electrocoagulacin ser posible degradar en un 90% el color presente
en el agua sinttica con colorantes en un reactor tipo batch.
OBJETIVOS
1. Construir dos reactores electroqumicos: uno con electrodos de aluminio y otro con
electrodos de hierro.
2. Realizar en cada reactor pruebas de remocin de color en agua sinttica.
3. Caracterizacin fisicoqumica del agua sinttica antes y despus del tratamiento.
4. Obtener las mejores condiciones de tratamiento en la eliminacin de color evaluando
corriente, pH y tiempo de tratamiento.
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CAPTULO III
Metodologa
Tomando como sustento el fundamento cientfico adoptado por la norma oficial, para la
determinacin de la DQO en las muestras de agua residual, y sin tener que hacer uso de
reactivos de elevado costo, la marca HACH pone a disposicin una alternativa sencilla y
econmica de determinar la DQO; la cual consiste en tubos de ensayo que contienen una
cantidad especfica de los reactivos necesarios para oxidar la materia orgnica presente en la
muestra, la cual se somete a un proceso de digestin durante dos horas, se cuantifica con un
espectrofotmetro UV-Vis, a una determinada longitud de onda, para obtener as los mg/L de
materia contaminante presente en la muestra (Gutirrez, 2007)
La metodologa que se sigui se muestra en la Figura 8, en el cual puede apreciarse de manera
general los pasos del desarrollo experimental, que se siguieron de acuerdo a los tratamientos A,
B y C que se describen en esta seccin y los cuales ayudarn a la caracterizacin del agua
sinttica a tratar.
En cuanto a la espectrofotometra UV-Vis, es una tcnica analtica, la cual est basada en la
medicin de la radiacin UV o visible por determinadas molculas; la radiacin correspondiente
a estas regiones del espectro electromagntico provoca transiciones electrnicas a longitudes de
onda caractersticas de la estructura molecular de un compuesto. (Gutirrez, 2007)
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Figura 8.- Metodologa utilizada para el tratamiento.
Tratamiento B: realizar dos tratamientos por 30
minutos: 1) usando electrolito soporte (sulfato
de sodio anhidro, Na2SO4) en uno y 2) no
usando electrolito soporte
Tratamiento A: realizar
tratamientos a 3, 4, 5, 6, 7 y 8 A
por 30 minutos respectivamente.
Registrar resultados.
Tratamiento C: Realizar pruebas a
diferentes pH: 2, 4, 6 y 8.
Registrar resultados.
Realizar pruebas al pH
ptimo y en cada una tomar
muestra inicial, final e
intermedia. Determinar
DQO. Anotar resultados.
Construir curva de
calibracin y seleccionar
longitud de onda
apropiada.
Preparar
curva de
calibracin a
pH neutro
Diseo y
construccin del
reactor
electroqumico
A cada una de las muestras
tomadas, medir absorbancia y
determinar DQO
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38
Materiales
La Tabla 4 muestra la descripcin de los materiales utilizados en el tratamiento electroqumico.
TABLA 4. Materiales utilizados y sus caractersticas
Material Caractersticas ObservacionesReactor electroqumico 1 Elaborado en recipiente de
plstico(HPDE) y electrodos
de aluminio
Elaboracin propia
Reactor electroqumico 2 Elaborado en recipiente de
plstico(HPDE) y electrodos
de hierro
Elaboracin propia
Potencimetro OAKTON Waterproof 300
series
Espectrofotmetro UV-Vis Lamba 25 de Perkin Elmer
Espectrofotmetro HACH DR/3000 Mide porcentaje de
transmitancia, absorbancia,
concentracin.
Digestor HACH
Reactivos
En la Tabla 5 es posible observar las caractersticas de los reactivos utilizados para obtener la
caracterizacin del agua residual mediante el tratamiento electroqumico.
TABLA 5. Reactivos utilizados y sus caractersticas
Reactivo Caractersticas Observaciones
Agua potable pH 7, 20C Contiene iones Cl-
Agua destilada pH 7, 20C
cido sulfrico PM 98g/mol 95 % vol. Solucin [1M]Sulfato de sodio anhidro PM 142.048 g/mol Solucin [1M]
Hidrxido de sodio PM 40 g/mol Solucin [1M]
Colorantes azul y amarillo Solucin concentrada frasco
gotero Mc Kormick
1.61 % vol.
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Parmetros de control
Concentracin del colorante, pH, un factor importante es la distancia entre los electrodos, ya
que dicha distancia afecta drsticamente en la velocidad de disolucin del nodo de sacrificio.
El pH inicial se ajusto previo al tratamiento y se estuvo ajustando durante el tratamiento, as
como al final de este para que el agua tuviese las caractersticas de la Tabla 6; dicho control se
llevo a cabo con dos soluciones: cido sulfrico (H2SO4) e hidrxido de sodio NaOH ambos en
concentraciones uno molar (mol/L).
Caracterizacin fisicoqumica del agua sinttica
En la caracterizacin fisicoqumica del agua sinttica es necesario realizar una serie de pruebas
en las cuales se deben tomar en cuenta los parmetros que demanda la calidad del agua tales
como pH, DQO, color, etctera. Los parmetros de control utilizados en el tratamiento
electroqumico se muestran en la Tabla 6.
Tabla 6. Resumen de parmetros fisicoqumicos del agua sinttica
Parmetros antes del
tratamientoValor
Parmetro despus
del tratamientoValor
Concentracin del
colorante (g/mL)1.17 E-06
Concentracin del
colorante0
pH 4.0 pH 7.0
DQO 179 DQO 0
Curva de calibracin
Las curvas de calibracin son determinadas experimentalmente preparando una serie de
soluciones de concentracin conocida y midiendo la absorbancia de cada una de ellas, con los
datos obtenidos se construyen curvas absorcinconcentracin. (Robinson, 1974)
Es necesario preparar soluciones a diferentes concentraciones, a las cuales se les determinar la
absorbancia, dato que servir posteriormente para el clculo de la concentracin del colorante en
la disolucin patrn para conocer el valor numrico de la concentracin del colorante en las
disoluciones preparadas. Se recomienda hacer un barrido para elegir la longitud de onda
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adecuada a la que se va a trabajar, pero en este caso se realiz el barrido completo en todas las
longitudes de onda para cada una de las muestras preparadas.
El procedimiento a seguir para construir la curva de calibracin es el siguiente:
1. Preparar una solucin patrn de 100 mL de agua y 600 microlitros de colorante azul.
Donde la concentracin resultante es de 9.7 x 10-5 g mL-1.
2. En un vaso de precipitados colocar 10 mL de agua, agregar a este volmenes sucesivos
de 100 microlitros de colorante con una concentracin de 9.7 x 10-5 g mL-1para obtener
9 puntos. Mantener el agua en agitacin.
3. A cada adicin se lee la absorbancia.
Clculo de la concentracin del colorante
La curva de calibracin fue diseada con dilucin por lo que es necesario calcular las
concentraciones en cada adicin como se muestra en la siguiente ecuacin:
Concentracin del colorante = ((9.7 x 10-5 g mL-1)* volumen muestra)/(volumen inicial +
volumen muestra )
Diseo y construccin de la celda electroltica
Reactor con electrodos de aluminio
En la construccin de la celda se utiliz un recipiente de plstico de 0.5 L de capacidad y 8
placas de hierro de 10 cm de ancho y 5 cm de alto, conectada a una fuente de poder.
Figura 9. Dimensiones de las placas de aluminio para la celda de tratamiento.
5cm
10cm
25cm
4mm
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41
Las barras de aluminio que sostienen las placas tienen un espesor de 0.4 cm. La distancia entre
las placas es de 4 cm. Tiene un espacio libre de 3cm sin placas en uno de los extremos para
permitir la insercin del potencimetro y el muestreo; y un espacio entre las placas y el fondo
de la celda.
Figura 10. Disposicin de las placas de aluminio en la celda de tratamiento.
Reactor con electrodos de hierro
En la construccin de la celda se utiliz un recipiente de plstico de 0.5 L de capacidad y 6
placas de hierro de 10 cm de ancho y 10 cm de alto, conectada a una fuente de poder.
Figura 11. Dimensiones de las placas para la celda de tratamiento.
Las barras de hierro que sostienen las placas tienen un espesor de 0.4 cm. La distancia entre las
placas es de 1.2 cm. Tiene un espacio libre de 2 cm sin placas en uno de los extremos para
permitir la insercin del potencimetro y el muestreo; y un espacio entre las placas y el fondo
de la celda.
10cm
10cm
20cm
4mm
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42
Figura 12. Dimensiones de las placas para la celda de tratamiento.
Una corriente elevada provoca que las soluciones se calienten excesivamente. Para que el
sistema opere adecuadamente por un largo periodo, es recomendable que la densidad de
corriente no exceda en el rango de 0.5 a 300 mA cm-2 (Holt, 2003).
Para los fines del diseo experimental se calcularon densidades de corriente de 4.6 y 3.5 mA
cm-2 para los reactores con electrodos de aluminio e hierro respectivamente, usando las
frmulas de la Tabla 7.
Tabla 7. Frmulas para el clculo de la densidad de corriente de los electrodos
Parmetro Smbolo Frmula
Densidad de corriente (mA cm-2) i / S
rea de la placa (cm2) Ap Ap B h
rea del orificio (cm2) Ao Ao D24
rea efectiva de cada placa (cm2) Ae Ae ApAo
rea efectiva total de las placas (cm2) Aet Aet Ae (# de placas)
rea del tubo (cm2) At At 2 r L
rea superficial del electrodo (cm2) S S Aet + At
Donde: i (intensidad de corriente elctrica), B (base), h (altura), D (dimetro), r (radio) y L
(longitud).
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Pruebas realizadas en el tratamiento
TRATAMIENTO A.- En esta prueba se consideran para ambos casos diferentes intensidades
de corriente (2, 4, 6, y 8 amperes) durante un tiempo de tratamiento de 30 minutos, para
comparar y obtener la intensidad de corriente adecuada para ambos reactores.
TRATAMIENTO B.- Esta prueba consiste en la adicin de un electrolito como soporte
(Na2SO4, sulfato de sodio) el cual estar actuando como catalizador en la disolucin acuosa, y se
realiza con la finalidad de conocer si es necesario utilizarlo en el proceso que se efectuara en
los reactores ya mencionados.
TRATAMIENTO C.-En estos experimentos se pretende encontrar un pH ptimo al cual se
obtenga una remocin de color del 90% en el menor tiempo posible considerando que la
velocidad de reaccin estar dada por el negativo del diferencial de concentracin de reactivos
respecto al tiempo expresando as la conversin de reactivos en productos y con ello la
remocin del contaminante que en este caso es el color (NMX-AA-008-SCFI-2001)
Para determinar las condiciones ptimas del tratamiento por electrocoagulacin en un reactor
electroqumico tipo batch fue necesario controlar parmetros tales como la intensidad de
corriente, pH, DQO, as como la distancia entre las placas
Evaluacin de pH
Para la evaluacin de los parmetros del agua sinttica se midieron estos en el agua sin tratar y
en el agua ya tratada, para el pH se considera la NMX-AA-008-SCFI-2000 que implica el
mtodo que se fundamenta en la existencia de una diferencia de potencial entre las dos caras de
una membrana de vidrio (electrodo), expuestas a disoluciones acuosas que difieren en su valor
de pH. El electrodo cuyo potencial depende del pH de la disolucin en la que se sumerge, est
constituido por un tubo de vidrio de alta resistencia cuya extremidad es de vidrio especial enforma de bulbo que contiene una disolucin interna de pH invariable en la que se encuentra
sumergido un electrodo interno de referencia.
Determinacin de la demanda qumica de oxgeno (DQO)
El equipo HACH se utiliz para determinar la DQO presente en el agua antes de realizar el
tratamiento, durante y despus de ste, las muestras se tomaron en intervalos de 5 minutos, y a
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cada muestra se le realiz el procedimiento correspondiente. Se coloc una alcuota de 3mL de
muestra en los tubos HACH especialmente diseados para determinar la DQO; se agit y luego
se colocaron las muestras por lotes en el digestor HACH, el digestor trabaja por un periodo de
2 horas, al finalizar el proceso de digestin se dejaron enfriar las muestras para luego leer el
valor de DQO en el equipo HACH. ste procedimiento se aprecia mejor en la Figura 9.
Figura 13.- Procedimiento de uso del equipo HACH en el tratamiento de agua sinttica.
Tomar muestras iniciales, finales e intermedias
en periodos de 5 minutos cada una hasta
terminar el tratamiento. Etiquetar.
Tomar una alcuota de 3 mL de cada muestra
tomada y colocarla en tubos HACH. Etiquetar.
Leer el valor de DQO en el equipo
HACH. Anotar en la bitcora.
Colocar en el digestor e iniciar el
proceso en un laso de 2 horas.
Dejar enfriar
muestras.
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CAPTULO IV
Resultados y discusin
Espectros de absorcin de Azul
Dentro del rea de cintica y catlisis existen tcnicas de caracterizacin de las sustancias, se
seleccion la espectrofotometra (anexo 2) UV-Vis para la evaluacin de la eficiencia del
tratamiento electroqumico.
En la Figura 14 se observa el espectro de absorcin de una serie de soluciones del colorante
azul. Se observa tres bandas de absorcin una en 620 nm caracterstica del color azul
posteriormente en 420 nm y en 320 nm.
Figura 14. Espectro de absorcin del colorante comestible azul
Se seleccion la banda de absorcin de 620 nm por ser la que presenta mayor absorbancia y por
lo tanto su coeficiente de absortividad especifico 0.3331 mL g-1cm-1 para realizar la curva de
calibracin.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
200 300 400 500 600 700
A
Longitud de onda, nm
azul000
azul001
azul002
azul003
azul004
azul005azul006
azul007
azul008
azul009
azul010
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En la Figura 15 se muestra el grafico de A en funcin de la concentracin donde se observa una
tendencia lineal debido a que el coeficiente de determinacin (r2) fue de 0.996 y la ecuacin que
representa la lnea recta es:
A620nm= 0.202 .054 + 0.309 0.010 [Azul]
Figura 15.- Curva de calibracin del colorante azul
Una vez caracterizado el colorante se procede a realizar las pruebas electroqumicas de
electrocoagulacin con electrodos de aluminio y hierro.
Los resultados obtenidos al aplicar los mtodos propuestos en captulos anteriores para
realizar este trabajo de investigacin son analizados en este captulo con la finalidad de
comparar los dos reactores utilizados (uno con electrodos de aluminio y otro con electrodos de
hierro), resaltando las caractersticas de cada uno; para comparar la eficiencia de ambos en la
eliminacin de color azul presente en el agua sinttica preparada.
Antes de iniciar cada tratamiento se realizaron pruebas para determinar la intensidad de
corriente ms eficiente la cual juega un papel muy importante en el desprendimiento del metal
que participa como electrodo, como se menciona en el anexo 1.
y = 0.3331x + 0.0767
R = 0.9945
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
A620nm
[Azul] g mL-1
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Determinacin de las condiciones ptimas del tratamiento
En ambos reactores tanto el de aluminio como el de hierro, se realizaron los tratamientos A, B
y C expuestos anteriormente en la metodologa, con que se permite apreciar lo siguiente en las
grficas que reportan los resultados obtenidos.
Tratamiento A en ambos reactores (reactor 1: aluminio y reactor 2: hierro)
En la Figura 16 se muestran los resultados obtenidos en el tratamiento A, donde se han
considerado diferentes intensidades de corriente (2, 4, 6 y 8 amperes) para efectuar el
tratamiento en cada reactor sin electrolito soporte, donde la absorbancia inicial en cada caso es
de 0.338 equivalente a una concentracin de 1.26 gmL -1 y el tiempo de tratamiento de 15
minutos; y como puede observarse la absorbancia final es variable dependiendo de la intensidad
de corriente aplicada.
Para el reactor de electrodos de aluminio (reactor 1) se muestra que para una corriente de 2 A se
obtiene el 99.9% de eliminacin del colorante. Por otro lado, para el reactor 2 se observa una
eliminacin de 99.9% a las corrientes de 2, 4 y 6. Esto es debido a que no se tienen suficientes
iones en la celda para que tenga un adecuado funcionamiento.
Figura 16. Resultados de las pruebas utilizadas para determinar la intensidad de corriente ms eficiente para ambos
reactores (Reactor 1 con electrodos de aluminio, Reactor 2 con electrodos de hierro)
Por lo anterior se selecciona 2 amperes como intensidad de corriente en el tratamiento de
ambos reactores, donde los tratamientos B y C se efectan como se describe en los siguientes
prrafos.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 2 4 6 8 10
[Azul]
gmL-1
Intensidad de corriente (A)
reactor2
reactor1
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Tratamientos B y C en el reactor 1 (electrodos de aluminio)
Las condiciones operativas que se tomaron en cuenta para iniciar con el experimento son de
2A, un volumen de 500mL, tiempo de tratamiento de 15 minutos.
Clculo de nmero de moles Al3+:
= 15 = 900
Para + 3
+ =
=
()()
()()= 0.06
Los 0.06 moles de Al3+ obtenidos equivalen a una concentracin de 0.12 M por lo que se
elabora el diagrama de distribucin de especies a estas condiciones de concentracin para
conocer las especies que se forman a los diferentes pH que se trabajaron.
Figura 17.- Diagrama de distribucin de especies para el aluminio considerando 0.12 M de+.
En la Figura 17 se observa que a pH 4 se presenta la especie insoluble AlOHSO4que puede
ayudar a iniciar la coagulacin; y a partir de pH 3.2 y hasta 12 se garantiza la produccin de
otra especie insoluble que es el Al(OH)3que ayuda a la eliminacin del colorante en el agua.
Se considera la presencia de iones sulfato pues en la solucin se han disociado los iones que
conforman al sulfato de sodio.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Fraction
pH
Al3+
AlSO4+
AlOHSO4
Al(OH)3
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Considerando el tratamiento B las pruebas corresponden a la adicin de sulfato de sodio
anhidro como electrolito en la solucin y posteriormente sin la adicin de electrolito, las cuales
se realizan con la finalidad de conocer la efectividad del proceso electroqumico en relacin al
tiempo de tratamiento, usando sulfato de sodio 0.1 M en cada carga del reactor, 2 A, 13.1 V y
pH 7.
Figura 18.- Grfica del tratamiento realizado sin electrolito y con electrolito a 2 A y pH 7, en el reactor de
electrodos de aluminio.
En la Figura 18 se observa que durante el tiempo de tratamiento de 15 minutos que se puso
como lmite debido a que no se obtuvo ms del 15 % de remocin despus de ese tiempo. Los
0
1
2
3
4
5
6
7
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0 2 4 6 8 10 12 14 16
%deremoc
in
[Azul]
gmL
-1
Tiempo, min
[Azul]
% remocin
, g mL-1
0
2
4
6
8
10
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0 2 4 6 8 10 12 14 16
%deremocin
[Azul]
gmL-1
Tiempo, min
[Azul]
% remocion
, g mL-1
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resultados en la remocin del colorante comestible no son favorables, sin importar si se le
adiciona o no el electrolito soporte (sulfato de sodio, Na2SO4), debido a que el aluminio es poco
conductor ya que de manera espontanea se puede formar una capa pasivante de Al2O3.
Es importante mencionar que la distancia entre los electrodos de este reactor es de 5 cm de
separacin entre cada electrodo, lo que propicia menos movimiento entre los tomos que no
permite que stos se conviertan en iones y se desprendan con facilidad para poder adherirse al
colorante.
Por lo expresado en el prrafo anterior, se ha agregado el electrolito soporte el cual cierra el
circuito de la celda formada en este reactor con electrodos de aluminio, pues el sulfato de sodio
que en este caso es el electrolito soporte se disocia logrando que la conductividad se
incremente.
En el reactor con electrodos de aluminio a remocin del contaminante ocurre de acuerdo a las
siguientes reacciones:
En el nodo
+ 3
()+
3 ()() 3()+
() ()
En el ctodo
3 3 3 3()
Los iones Al3+al combinarse con los iones (OH)-reaccionan formando algunas especies como
Al(OH)2+, Al(OH)2+, Al2(OH)24+ y Al(OH)4-, las cuales se presentan al inicio cuando las
concentraciones de aluminio son menores de 1x10-7M, posteriormente al incrementar el tiempo
de electrlisis se incrementa la concentracin de aluminio y la formacin de OH -; forman
()()que tiene la caracterstica de ser una sustancia insoluble con gran rea superficial y
de carcter absorbente, donde es de importancia recordar adems que los complejos formados
poseen una energa cintica mayor a los reactivos y los productos, que tienen cargas que
permiten la atraccin entre varias molculas formando una disolucin de tipo heterognea; loque cede la remocin del contaminante, por un mtodo de separacin de mezclas que puede ser
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la filtracin, que normalmente es el mtodo recomendado para separar los precipitados
formados por los elementos del grupo 3. (Comminelis, et. al., 1991)
De acuerdo a los tratamientos planteados en la metodologa el tratamiento C ste consiste en
realizar pruebas a diferentes pH para observar si existe un incremento en la eficiencia del
tratamiento considerando que la intensidad de corriente sigue siendo de 2 A, y que de acuerdo a
la Figura 18 la adicin de sulfato no marca una diferencia considerable en el porcentaje de
remocin dado que el agua sinttica que se ha preparado contiene iones en solucin en
mnimas cantidades pero suficientes para cerrar el circuito de la celda; por lo que no se usar
electrolito soporte.
Figura 19.- Resultados del tratamiento C aplicado en el reactor 1.
Los resultados obtenidos de lo descrito en el prrafo anterior se observan en la Figura 19. A pH
4 la eficiencia de la remocin del color expresado es favorable en un 40.8 %; y de manera muy
marcada en pH 3, 6, 7 y 8 no ocurre as; excepto en pH 5, sin embargo una vez que pasan los 15
minutos establecidos para este tratamiento la remocin de color aun no termina.
En el presente estudio se observa de acuerdo a los resultados mostrados en las grficas
anteriores, que la remocin del contaminante se ve afectada por la distancia entre los electrodos
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 5 10 15 20
[Azu
l],
gmL-1
Tiempo (min)
pH 8.0
pH 3.0
pH=4.0
pH=5.0
pH=6.0
pH=7.0
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y el espesor de stos, luego de un tiempo de tratamiento superior a los 15 min, se consider que
el tratamiento con electrodos de aluminio no sera adecuado por el tiempo que se tardaba dicho
tratamiento sin tener los resultados esperados en cuanto a la remocin del colorante del agua
sinttica. Lo anterior se observa mediante la comparacin de la Figura 19 y la Figura 24 donde
con el mismo tiempo de tratamiento los resultados no son los mismos, cabe destacar que para
obtener mejores resultados se le realiz un lavado a los electrodos y al reactor, sin embargo no
se obtuvo lo deseado en el tiempo esperado de acuerdo a lo que reportan algunas fuentes. (Holt,
2006)
Figura 21.- Espectro de absorcin del colorante comestible azul durante el tratamiento de electrocoagulacin con
electrodos de aluminio.
Es importante destacar que el reactor que se construye con electrodos de aluminio no tuvo
resultados favorables para la degradacin del color a pesar de la variacin de pH, la adicin de
electrolito soporte para promover la reaccin, dichos resultados se atribuyen a la distancia a la
que se encontraban los electrodos (5cm) as como las dimensiones de cada uno de stos, lo cual
se debe a la distancia entre electrodos, que en el caso del reactor 2 que es el de los electrodos
de hierro hay menor distancia entre stos (1.2 cm).
Reducir la distancia entre los electrodos ocasiona una mayor actividad en las interfases de los
electrodos. (Molera, 1989)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
530 580 630 680
A
Longitud de onda, nm
blanco.
0 min
5 min
10 min
15 min
20 min
30 min
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Tratamientos B y C en el reactor 2 (electrodos de hierro)
En este caso las condiciones de operacin en el segundo reactor que se tomaron en cuenta para
iniciar con el experimento son de 2A, un volumen de 500mL, tiempo de tratamiento de 15
minutos.
En el caso del reactor con electrodos de hierro, se consideran caractersticas que se pretende
mejoren los ensayos realizados con el reactor 1, esto es bsicamente en el espesor de cada placa
y en la distancia entre los electrodos, que al colocarse ms cerca, esto es 1.2 cm entre cada
placa, se pretende que adems de que no sea necesario el electrolito soporte.
La remocin de color en el agua residual ocurre cuando el metal que acta como nodo de
sacrificio en esta caso de Fe0pierde partculas reducindose a Fe +2y posteriormente a Fe+3ste
al unirse con el ion (OH)-del agua ocasiona la formacin del precipitado Fe(OH)3 se lleva a
cabo de acuerdo a las siguientes reacciones:
Reaccin a
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