ESTUDIO DE LA FACTIBILIDAD DE UN SISTEMA DE ELECTROCOAGULACIÓN PARA TRATAMIENTO DE AGUAS PROCEDENTES DE LAVANDERÍAS

INDUSTRIALES CON FINES DE REUSO

ADRIANA ARISTIZÁBAL CASTRILLÓN aristizabaladriana@yahoo.com

MARÍA CATALINA BERMÚDEZ AGUDELO

marcata85@hotmail.com

Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Químico

Director JOSÉ ADRIÁN RIOS ARANGO

Ingeniero Mecánico

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA MEDELLÍN

2007

CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN 20 1. EL AGUA 22 1.1 GENERALIDADES 22 1.2 USOS DEL AGUA 24 1.3 CALIDAD DEL AGUA 24 2. TRATAMIENTO DE EFLUENTES 28 2.1 CLASIFICACIÓN DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES 28 2.2 MÉTODOS ELECTROQUÍMICOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES 31

3. LA ELECTROCOAGULACIÓN 33 3.1 POTENCIAL EN UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIÓN 35 3.2 TIPOS DE REACTORES PARA ELECTROCOAGULACIÓN 37 3.3 DISEÑO DE UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIÓN 38

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3.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO DE ELECTROCOAGULACIÓN.

39

3.5 APLICACIONES DE LA ELECTROCOAGULACIÓN 42 4. LA INDUSTRIA TEXTIL 45 4.1 GENERALIDADES 45 4.2 INDUSTRIA TEXTIL EN COLOMBIA 45 4.3 PROCESOS DE LA INDUSTRIA TEXTIL 48 4.4 CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE LA

INDUSTRIA TEXTIL 50

4.4.1 Aguas residuales de los procesos de teñido. 53 4.5 TRATAMIENTOS PARA LAS ARI TEXTILES POR

ELECTROCOAGULACIÓN 53

4.6 REUSO DE EFLUENTES DE LA INDUSTRIA TEXTIL 56 5. DISEÑO DE EXPERIMENTOS 57 5.1 DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS 57 5.2 MATERIALES Y MÉTODOS 58

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5.3 ANÁLISIS DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS 63 5.3.1 Anova de pH. 63 5.3.2 Anova de conductividad. 72 5.3.3 Anova de turbiedad. 82 5.4 OPTIMIZACIÓN MULTIRESPUESTA 90 5.4.1 Región experimental. 90 5.4.2 Óptimos individuales. 90 5.4.3 Análisis previo a la optimización múltiple. 91 5.4.4 Optimización múltiple. 92 5.5 ANÁLISIS DE RESULTADOS 93 5.5.1 Ensayo de verificación. 93 5.5.2 Ensayo de óptimos con hierro. 101 6. ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD TÉCNICO - ECONÓMICA 104 6.1 OPTIMIZACIÓN DEL CONSUMO DE AGUA MEDIANTE REUSO 104

Pág.

6.2 ANÁLISIS PRELIMINAR DE COSTOS GENERALES 109 6.2.1 Análisis de casos. 111 6.2.2 Ahorro a favor de la compañía. 113 7. CONCLUSIONES 115 8. RECOMENDACIONES 117 BIBLIOGRAFÍA 118 ANEXOS 126

LISTA DE FIGURAS

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Figura 1. Clasificación de sistemas de reactores de electrocoagulación. 37 Figura 2. Diagrama esquemático de una celda de electrocoagulación de

dos electrodos. 39

Figura 3. Acabado textil y carga contaminante. 49 Figura 4. Diagrama esquemático del montaje experimental. 59 Figura 5. Modelo de reactor de electrocoagulación utilizado con

electrodos bipolares en serie. 59

Figura 6. Diagrama de reuso de agua. 104 Figura 7. Diagrama de reuso de agua para conductividad. 108

LISTA DE FOTOS

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Foto 1. Montaje experimental. 60 Foto 2. Comparativo de remoción de color entre el agua sin tratar y

tratada. 96

Foto 3. Comparativo de aguas tratadas. 96 Foto 4. Lodos generados en el proceso de electrocoagulación de aguas

residuales de la industria textil. 97

Foto 5. Agua tratada en ensayo de verificación empleando ánodos de

hierro. 103

29

LISTA DE GRÁFICAS

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Gráfica 1. Distribución de la cantidad total de agua en la superficie terrestre.

23

Gráfica 2. Distribución del agua dulce total en la tierra. 23 Gráfica 3. Consumo del agua dulce disponible. 23 Gráfica 4. Distribución del consumo de agua en la industria textil. 50 Gráfica 5. Diagrama de Pareto Estandarizado para Ph. 64 Gráfica 6. Efecto A para Ph. 66 Gráfica 7. Efecto D para Ph. 66 Gráfica 8. Efecto E para Ph. 67 Gráfica 9. Interacción AD para Ph. 67 Gráfica 10. Interacción AE para Ph. 68 Gráfica 11. Interacción CE para Ph. 68 Gráfica 12. Efecto B para Ph. 69 Gráfica 13. Efecto C para Ph. 69 Gráfica 14. Diagrama de efectos principales para Ph. 70 Gráfica 15. Diagrama de interacciones principales para Ph. 70 Gráfica 16. Verificación de supuestos para Ph. 72 Gráfica 17. Diagrama de pareto estandarizado para conductividad. 74 Gráfica 18. Efecto A para conductividad. 75 Gráfica 19. Efecto D para conductividad. 76

30

Pág.

Gráfica 20. Efecto E para conductividad. 76 Gráfica 21. Interacción AC para conductividad. 77 Gráfica 22. Efecto C para conductividad. 77 Gráfica 23. Interacción CE para conductividad. 78 Gráfica 24. Interacción AD para conductividad. 79 Gráfica 25. Interacción CD para conductividad. 79 Gráfica 26. Efecto B para conductividad. 80 Gráfica 27. Diagrama de efectos principales para conductividad 80 Gráfica 28. Interacciones principales para la conductividad 81 Gráfica 29. Verificación de supuestos para conductividad. 82 Gráfica 30. Diagrama de pareto estandarizado para turbiedad. 84 Gráfica 31. Efecto de A para la turbiedad. 86 Gráfica 32. Efecto E para la turbiedad. 86 Gráfica 33. Efecto D para turbiedad. 86 Gráfica 34. Efecto B para turbiedad. 87 Gráfica 35. Efecto C para turbiedad. 87 Gráfica 36. Interacción CE para turbiedad. 87 Gráfica 37. Interacción AD para turbiedad. 88 Gráfica 38. Interacción AB para turbiedad. 89 Gráfica 39. Verificación de supuestos para turbiedad. 90

31

LISTA DE TABLAS

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Tabla 1. Clasificación de los parámetros indicadores de la calidad del agua.

25

Tabla 2. Componentes químicos típicos que pueden encontrarse en el

agua residual y sus efectos. 26

Tabla 3. Operaciones o procesos unitarios según el nivel de

tratamiento de aguas. 29

Tabla 4. Criterios para seleccionar sistemas de tratamiento de aguas

residuales. 30

Tabla 5. Operaciones y procesos unitarios y sistemas de tratamiento

utilizados para eliminar la mayoría de los contaminantes presentes en el agua residual.

31

Tabla 6. Ventajas de proceso de electrocoagulación. 40 Tabla 7. Soluciones a las dificultades operativas de un sistema de

electrocoagulación 41

Tabla 8. Efectos de algunos factores controlables en

electrocoagulación. 43

Tabla 9. Efectos de algunas de las variables respuestas sobre el

proceso de electrocoagulación. 44

Tabla 10. Distribución de los tejedores en el país. 46 Tabla 11. Distribución de otros textileros en el país. 46 Tabla 12. Telares instalados en tejeduría. 47 Tablas 13. Telares instalados en confección tejida y maquinaria de

hiladura. 47

Tabla 14. Distribución de la capacidad de producción en millones m2 47

32

Pág.

Tabla 15. Principales Tejedores de tela del país. 48 Tabla 16. Clasificación general de los contaminantes de las ARI textiles. 51 Tabla 17. Carga contaminante que aportan los colorantes. 52 Tabla 18. Efectos de factores controlables en la electrocoagulación en

ARI textiles. 54

Tabla 19. Efectos de algunas de las variables respuestas en

electrocoagulación. 55

Tabla 20. Información de los factores controlables del diseño de

experimentos. 58

Tabla 21. Información básica de las variables respuestas estudiadas. 58 Tabla 22. Caracterización del ARI empleada en los experimentos. 58 Tabla 23. Resultados experimentales de la primera réplica. 61 Tabla 24. Resultados experimentales de la segunda réplica. 62 Tabla 25. Anova para pH 64 Tabla 26. Coeficientes estimados de regresión del modelo matemático

de pH. 65

Tabla 27. Valores óptimos de los factores controlables para maximizar

pH. 71

Tabla 28. Anova para conductividad. 73 Tabla 29. Coeficientes estimados de regresión del modelo matemático

de conductividad. 74

Tabla 30. Valores óptimos de los factores para conductividad. 81 Tabla 31. Anova para la turbiedad. 84 Tabla 32. Coeficientes estimados de regresión del modelo matemático

de turbiedad. 85

33

Pág.

Tabla 33. Valores óptimos de los factores controlables para maximizar pH.

89

Tabla 34. Rango de las variables respuesta. 90 Tabla 35. Predicciones de los valores óptimos individuales de las

variables respuesta. 91

Tabla 36. Factores para cada uno de los óptimos individuales. 91 Tabla 37. Peso e impacto de las variables respuesta. 92 Tabla 38. Valores óptimos de los factores controlables. 92 Tabla 39. Predicción de las variables respuesta. 93 Tabla 40. Características principales del ARI empleada en el ensayo de

verificación. 93

Tabla 41. Caracterización del efluente modificado. 94 Tabla 42. Características del agua tratada en el ensayo de verificación. 95 Tabla 43. Porcentajes de remoción de los diferentes parámetros

obtenidos en el ensayo de verificación. 98

Tabla 44. Predicción de porcentajes de remoción óptimos. 100 Tabla 45. Caracterización de agua residual de ensayo con placas de

hierro. 101

Tabla 46. Caracterización de agua tratada de ensayo de verificación

empleando hierro. 102

Tabla 47. Porcentaje de remoción de parámetros en el ensayo de

verificación empleando ánodos de hierro. 102

Tabla 48. Balances de conductividad para el caso 2 107 Tabla 49. Datos económicos usados para el análisis preliminar de

costos 110

34

Pág.

Tabla 50. Tabla de amortización del crédito 112 Tabla 51. Datos de costos para cálculos de ahorro 113

35

LISTA DE ANEXOS

Pág.

ANEXO A. Caracterización fisicoquímica del efluente industrial sin tratar empleado en el ensayo de verificación.

126

ANEXO B. Caracterización fisicoquímica del efluente industrial tratado

empleado en el ensayo de verificación. 129

ANEXO C. Caracterización fisicoquímica del efluente industrial sin tratar

del ensayo de óptimos en el cual se emplearon placas de hierro.

132

ANEXO D. Caracterización fisicoquímica del efluente industrial tratado

del ensayo de óptimos en el cual se emplearon placas de hierro.

135

ANEXO E. Caracterización de agua potable de acueducto Empresas

Públicas de Medellín, 1 de Enero de 2007. 139

ANEXO F. Hoja de cálculo de análisis técnico- económico. 142 ANEXO G. Apartes del anteproyecto presentado a la facultad 148

36

RESUMEN

En este proyecto se realizó un estudio de la factibilidad de un sistema de electrocoagulación para tratamiento de aguas residuales procedentes de lavanderías industriales con fines de reuso, lo anterior mediante la evaluación y optimización de las variables claves en un proceso de electrocoagulación. Con base en el diseño de experimentos y en el ensayo de verificación realizados se determinó que los valores de los factores óptimos para tratar por electrocoagulación agua residual de lavandería industrial con fines de reuso y lograr ajustar el pH entre 5 y 9, minimizar la conductividad y la turbiedad son placas de aluminio, 20V, 0.7cm de distancia entre placas, 2 placas y 10 min. de tiempo de retención. Además que los factores de mayor incidencia en el proceso de electrocoagulación son voltaje, tiempo de retención y número de placas., y las interacciones que son significativas estadísticamente son voltaje-tiempo de retención, voltaje-número de placas, material del ánodo-número de placas, voltaje-material del ánodo y voltaje-distancia entre placas. Asimismo se estableció que el agua tratada mediante la electrocoagulación es apta para reuso ya que se verificó que existió un cambio en las características del agua que mejoró su calidad. Según el estudio de factibilidad se estableció que la implementación de un reactor electrocoagulador es viable técnica y económicamente para el caso analizado en este proyecto.

37

INTRODUCCIÓN La industria textil utiliza el 15% del agua que consume la industria a nivel mundial, es decir 30 mil millones de m3, convirtiéndose en uno de los mayores consumidores del agua total disponible y en una de las industrias que aporta mayor carga contaminante vertiéndola como desecho. [24] La industria colombiana de textiles y confecciones es una de las más grandes y experimentadas de América Latina con la aplicación de tecnología de punta de procesos de producción [73], que incluyen actividades como la producción agrícola, la comercialización de fibras naturales y sintéticas, el teñido y la estampación, la confección y la comercialización del producto terminado. [5] La cadena textil-confección concentra el 12.1% de la producción industrial de Colombia, cerca del 6% de las exportaciones totales ubicándola en el tercer producto de exportación industrial contando con una de las más altas tasas de apertura exportadora de la industria nacional y el 13.3% de las ventas de productos no tradicionales del país. [73] Entre tanto, el sector textil que viene abriéndose a los mercados nacionales e internacionales es cada vez más competitivo y se ve obligado a optimizar sus procesos para mantenerse al ritmo que impone el modelo económico [5], presentando opciones de mejoramiento en calidad ambiental y rentabilidad para la compañía. En la actualidad la industria textil ha empleado los métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales como son los químicos, físicos y biológicos, ó una combinación de ellos, los cuales están limitados por bajos rangos de concentración y en algunos casos pueden tener altos costos. [8] Por lo general los costos son la variable que más influencia tiene en la selección del tratamiento a realizar, seguido de la importancia de reutilizar los recursos presentando así un beneficio económico y ambiental no solo para la compañía sino también para los clientes. Debido a esto, se han venido estudiando y desarrollando nuevas alternativas para aminorar el impacto ambiental por parte de la industria textil. Entre los nuevos tratamientos se encuentran los métodos electroquímicos como la electroflotación, electrodecantación y la electrocoagulación. Estos métodos son viables porque su sistema emplea electrones para realizar el tratamiento mientras que otros usan reactivos químicos y microorganismos, lo que los hace más costosos y en ocasiones más demorados. [41, 66] Entre las ventajas de los métodos electroquímicos se encuentran los beneficios ambientales, de compatibilidad, versatilidad, eficiencia de energía, seguridad, selectividad, facilidad de automatización del proceso y bajos costos. [66]

46

De todas las técnicas electroquímicas conocidas se tiene mayor interés en emplear la electrocoagulación como método de tratamiento de aguas residuales [66], método que ha sido aplicado de manera satisfactoria para tratar agua potable [26, 47, 30], aguas residuales de: procesadores de alimentos [17, 33], industria cervecera [56], urbanas [47], de restaurante [41, 32], industria textil [11, 49, 47, 41, 32, 28, 65], también para tratar aguas que contengan arsénico [28, 46, 38], iones fluoruro [31, 18, 10], boro [23], surfactantes [36], metales pesados [38, 19], aceites [57, 21], tintes textiles [41, 53, 54, 16, 14, 60, 1, 41, 55, 42], desechos poliméricos [22], partículas suspendidas [43], suspensiones acuosas de partículas ultrafinas [37], nitrato [58], residuos fenólicos [25], fósforo [45], flúor [18, 10, 50], entre otros. Dado a lo anterior y a que Medellín es una de las ciudades con mayor capacidad de producción textil [67], además el gobierno colombiano ha venido apoyando la construcción de salidas que permitan un equilibrio en armonía con los recursos naturales y el entorno social [64], madurar nuevas técnicas de tratamiento como la electrocoagulación, que se compromete con la protección ambiental y el desarrollo sostenible son de suma importancia. Por lo tanto se ha seleccionado éste método para materializar en el presente proyecto de grado. Con miras a ampliar el conocimiento acerca de la electrocoagulación, método que ofrece a la industria textil una oportunidad económica y eficiente de tratamiento de las aguas residuales en comparación con los métodos convencionales, se planteó esta investigación que tiene como objetivo general determinar la factibilidad de la implementación del tratamiento de electrocoagulación para obtener agua de reuso proveniente de lavanderías industriales como estrategia para disminuir costos de producción y cumplir con los requerimientos ambientales de vertimiento y así mismo para contrarrestar la contaminación ambiental producida en el proceso industrial y mejorar la calidad de vida. A continuación se presenta un proyecto de grado mediante el cual se desarrollaron los objetivos específicos planteados en el anteproyecto ...Ver Anexo G... donde se determina la influencia de los principales factores controlables en el proceso de electrocoagulación de aguas residuales procedentes de lavanderías industriales y la interacciones entre los principales factores, teniendo como punto de partida la fase experimental en la que se realiza un diseño de experimentos de manera que se aprecie la influencia sobre las variables respuesta escogidas, posteriormente se realiza una interpretación de resultados obteniéndose los valores óptimos de trabajo de los factores evaluados y finalmente se realizará una optimización de agua mediante el reuso y una evaluación preliminar de costos.

47

1. EL AGUA 1.1 GENERALIDADES El agua es un componente químico muy abundante en la biosfera y quizá el más importante ya que casi toda la vida en la tierra, incluso la humana, utiliza agua como medio fundamental para el funcionamiento del metabolismo. [48] Aproximadamente el 97.4% de la provisión mundial de agua se encuentra en los océanos y el 2.6% restante es agua dulce que es un recurso renovable limitado, del cual solamente esta disponible el 0.6% (lagos, subterránea, atmósfera y ríos) es decir 2850 mil millones de m3, como se ilustra a en las Gráficas 1. y 2. [24] En la Gráfica 3., se observa que del agua dulce disponible un 7% se destina a la industria, es decir 200 mil millones m3. [24] El ritmo al cual se puede consumir la provisión de agua dulce está limitado por la rapidez con la que el agua circula por el ciclo hidrológico. El tiempo para reemplazar el agua varía aproximadamente dos semanas en la atmósfera hasta diez o cien años en los lagos según la profundidad. Actualmente en regiones como Australia, el Norte de México, varias naciones del Medio Oriente y el suroeste de los Estados Unidos, donde la población urbana es relativamente densa y llueve poco se presenta escasez de agua y además en estas regiones se extrae mayor cantidad de agua que la que repone la precipitación pluvial, esto sumado a la provisión de agua en abundancia para usos municipales, industriales y agrícolas sin restricciones, sin incentivos que alienten la reutilización o conservación, ha incrementado en alto grado la competencia para conseguir fuentes limitadas de agua fácilmente accesible. [48]

48

Gráfica 1. Distribución de la cantidad total de agua en la superficie terrestre.

Océano 97.4%

Agua dulce 2.6%

Fuente: BOTERO SANIN, Luís Fernando. Industria textil y medio ambiente. Parte I. En : Colombia Textil. Vol. 32, No. 121 (jul.–sep. 1996); p. 49. Gráfica 2. Distribución del agua dulce total en la tierra.

Glaciares 77.2%

Capas freáticas 22.2%

Disponible0.6%

Fuente: BOTERO SANIN, Luis Fernando. Industria textil y medio ambiente. Parte I. En : Colombia Textil. Vol. 32, No. 121 (jul. – sep. 1996); p. 49. Gráfica 3. Consumo del agua dulce disponible.

Agricultura88%

Hogar5%

Industria7%

Fuente: BOTERO SANIN, Luís Fernando. Industria textil y medio ambiente. Parte I. En : Colombia Textil. Vol. 32, No. 121 (jul.–sep. 1996); p. 49.

49

1.2 USOS DEL AGUA El hombre emplea el agua para múltiples usos, entre ellos: consumo humano, irrigación, agricultura, consumo industrial, generación de energía eléctrica, consumo de animales y explotaciones piscícolas, navegación, silvicultura y recreación. [68] El uso consuntivo del agua es aquel que impide que el agua esté disponible para uso ulterior, ya sea debido a evaporación, contaminación, o filtración bajo tierra, a menos que el ciclo hidrológico la devuelva en forma de lluvia. El uso no consuntivo del agua deja disponible el agua, después de un tratamiento si es necesario, para un nuevo uso sin pasar por el ciclo hidrológico. La creciente demanda de agua potable por parte del público, la industria y la agricultura y la decreciente disponibilidad de la misma, debe provocar un cambio de conciencia acerca del uso consuntivo del agua que se hace actualmente, especialmente en países en vía de desarrollo, y así lograr un uso no consuntivo del agua, de lo contrario a medida que las demandas de agua crecen, la cantidad limitada de agua dulce disponible que causan elevados costos de este recurso obligará a reciclar y reutilizar las agua residuales. [48] 1.3 CALIDAD DEL AGUA Para describir la calidad de una corriente o una fuente del agua se requieren criterios o parámetros de calidad, los cuales se clasifican en: hidrológicos, físicos, químicos y biológicos. En la Tabla 1. se resumen los parámetros que se encuentran en cada clasificación. Se debe tener en cuenta que los parámetros físicos no son índices absolutos de contaminación y sus valores normales pueden variar considerablemente y, por lo tanto, en cada caso se mide la desviación con respecto a la norma. Estos también se denominan como parámetros organolépticos, es decir que se detectan en primera instancia por los órganos de los sentidos. [68]

50

Tabla 1. Clasificación de los parámetros indicadores de la calidad del agua.

Clasificación Parámetros

No específicos

Alcalinidad pH Conductividad Dureza Oxígeno disuelto (OD)

Químicos

Específicos

Nitrógeno (NH4, NO3-)

Cloruros Detergentes Fenoles Pesticidas Material orgánico oxidable

Físicos

Color Temperatura Turbiedad Olor Sabor

Hidrológicos Caudal Velocidad Mezcla

Patógenos Coliformes fecales Virus Vibro cólera Biológicos

No patógenos

Población mesófila Zooplancton Algas

Fuente: RESTREPO MEJÍA, Ana Patricia y TOBÓN MEJÍA, Olga Lucía. Manual de calidad de aguas. Medellín: Facultad de Ingeniería Ambiental EIA, 2002. p. 205. - Contaminantes del agua. En la Tabla 2. se indican algunas de las sustancias presentes en el agua residual cuyo vertimiento puede originar problemas ambientales.

51

Tabla 2. Componentes químicos típicos que pueden encontrarse en el agua residual y sus efectos.

Componente Efecto Concentración crítica (mg/L)

Sólidos suspendidos

Pueden provocar deposiciones de sólidos o enturbiamiento.

Variable

Materia orgánica biodegradable

Pueden agotar la reserva de oxígeno disponible. Variable

Contaminantes Prioritarios

Tóxicos para el hombre, carcinógenos. Tóxicos para el entorno acuático.

Varía en función del constituyente. Varía en función de la presencia en la columna de agua, masa biológica o sedimento.

Compuestos orgánicos volátiles

Tóxicos para el hombre, carcinógenos, forman oxidantes fotoquímicos (smog)

Varía en función del constituyente.

Nutrientes

Amoníaco

Aumenta la demanda de cloro. Puede convertirse a nitratos y agotar los recursos de oxígeno. Con el fósforo puede llevar al crecimiento de algas.

Cualquier cantidad

Nitrato

Tóxico para los peces. Estimula el crecimiento acuático y de las algas. Puede causar metagemoglobinemia en los niños.

Variable según el pH y la temperatura. 0.3 para lagos con aguas tranquilas.

45

Fosfato

Estimula el crecimiento acuático y de las algas. Interfiere con la coagulación Interfiere con el ablandamiento cal-sosa.

0.3 para lagos con aguas tranquilas.

0.2 – 0.4

0.3

52

Componente Efecto Concentración crítica (mg/L) Otros compuestos orgánicos Agentes tensoactivos

Provocan espumas y pueden interferir con la coagulación. 1 – 3

Otros compuestos inorgánicos

Calcio y magnesio Aumenta la dureza y los sólidos totales disueltos.

Cloruro

Imparte sabor salado. Interfiere en los usos agrícolas e industriales.

250

75 – 200

Sulfatos Acción catártica. 600 – 1000 Fuente: TCHOBANOGLOUS, George et al. Ingeniería de aguas residuales : tratamiento, vertido y reutilización. 3 ed. México : Mc Graw Hill,1996. v.2, p. 755.

53

2. TRATAMIENTO DE EFLUENTES. El tratamiento del agua, previo a su vertido en el medio ambiente, tiene por objeto eliminar los contaminantes de la manera más económica posible, los principales problemas aparecen con los vertimientos de efluentes industriales, que deterioran gravemente el medio ambiente debido a la alta concentración de contaminantes y a la peligrosidad de cada uno de ellos. [62] 2.1 CLASIFICACIÓN DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES Los contaminantes presentes en aguas residuales pueden eliminarse con procesos químicos, físicos y/o biológicos. Los métodos individuales de tratamiento de aguas suelen clasificarse en operaciones físicas unitarias, procesos químicos unitarios y procesos biológicos unitarios. Los métodos de tratamiento en los que predominan la acción de fuerzas físicas se conocen como operaciones unitarias, entre estas se encuentran el desbaste, mezclado, floculación, sedimentación, flotación, transferencia de gases y filtración. Los métodos en los cuales la eliminación o conversión de los contaminantes se consigue con la adición de productos químicos o gracias al desarrollo de ciertas reacciones químicas, se conocen como procesos químicos unitarios y fenómenos como la precipitación, adsorción y la desinfección son ejemplos de procesos convencionales en el tratamiento de aguas. Los procesos de tratamiento en los que la eliminación de los contaminantes se lleva a cabo gracias a la actividad biológica se conocen como procesos biológicos unitarios. [72] Los procesos y operaciones unitarias se combinan y complementan para dar lugar a cuatro niveles de tratamiento de las aguas, estos niveles son: pretratamiento, tratamientos primarios, tratamientos secundarios y tratamientos terciarios. Los pretratamientos son los procesos de eliminación de los constituyentes de las aguas residuales cuya presencia pueda provocar problemas de mantenimiento y funcionamiento de los diferentes procesos, operaciones y sistemas auxiliares. [72] Consiste en la eliminación de material grueso, arenoso y flotante (grasas y aceites) y en la modificación de la distribución del tamaño de las partículas presentes en el agua residual. Sus objetivos son: acondicionar el agua residual para ser tratada en las siguientes etapas de proceso, remover materiales que puedan interferir con los equipos y procesos de tratamiento de aguas abajo, y reducir la acumulación de materiales en procesos aguas abajo. [39]

54

Los tratamientos primarios son los que eliminan una fracción de los sólidos suspendidos, coloides y de la materia orgánica del agua residual. Se efectúan previos a los tratamientos secundarios y no remueve microorganismos ni material soluble. [72]

Cuando las aguas residuales han sido previamente tratadas mediante métodos preliminares y primarios (físicos o físico-químicos) y no se ha logrado eliminar un gran porcentaje de la contaminación orgánica, se requiere someter estas aguas a tratamientos en donde la acción de los microorganismos transforma la materia orgánica biodegradable de los residuos en material estable e inofensivo a las fuentes receptoras. Los tratamientos secundarios son la combinación de diferentes procesos empleados para la eliminación de sólidos en suspensión y de compuestos orgánicos biodegradables que incluyen tratamientos biológicos. [72] Los tratamientos terciarios son los procesos encargados de conseguir una calidad excepcional en el efluente, por tanto se aplican en casos especiales. Las aguas que han sido tratadas con tratamientos terciarios pueden ser utilizadas en gran variedad de fines entre los que se encuentra el reuso. Es el nivel de tratamiento necesario para la eliminación de constituyentes de las aguas residuales que merecen especial atención como nutrientes, compuestos tóxicos, excesos de materia orgánica o de sólidos suspendidos, iones y sólidos disueltos. [72] Algunas de las Operaciones o procesos unitarios según el nivel de tratamiento del agua se citan en la Tabla 3. Tabla 3. Operaciones o procesos unitarios según el nivel de tratamiento de aguas

Tipo de tratamiento Operaciones o procesos unitarios

Preliminares

Dilaceración, desbaste, filtración, flotación, remoción por gravedad, tanque Imhoff, filtración por membrana, remoción de grasas y aceites, tamizado grueso y fino, y microtamizado. [72, 39]

Primarios Tamizado, sedimentación primaria. [72]

Secundarios

Lodos activados, reactores de lecho fijo, sistemas de lagunaje, sedimentación secundaria, desinfección. [72]

Terciarios

Coagulación química, floculación, sedimentación seguida de filtración y carbón activado. Intercambio iónico, osmosis inversa, electrocoagulación. [72]

55

Algunos de los criterios importantes para la selección de los sistemas de tratamiento de las aguas residuales se observan en la Tabla 4. Tabla 4. Criterios para seleccionar sistemas de tratamiento de aguas residuales. 1) El sistema debe ser simple en su operación, mantenimiento y control, ya que una buena operación no debe depender de la presencia de operadores e ingenieros experimentados.

6) La flexibilidad del proceso debe ser alta con respecto a la escala a la cual es aplicada, debe prepararse para las posibilidades de ampliación y mejoramiento de la eficiencia.

2) El sistema no debe provocar malos olores y problemas de salud.

7) El requerimiento de área debe ser bajo, en especial cuando no está disponible y/o el precio es alto.

3) El número de etapas requeridas para el proceso deben ser las mínimas posibles.

8) El sistema debe ofrecer buenas posibilidades para recuperar subproductos útiles en irrigación y fertilización.

4) El sistema deber ser estable a interrupciones en la alimentación.

9) Es recomendable disponer de la capacitación suficiente en el manejo del sistema.

5) El tiempo de vida del sistema debe ser largo.

10) El sistema no debe tener ningún problema con la disposición de lodos.

Fuente: MERCADO MARTÍNEZ, Iván Darío. La electrocoagulación, una nueva alternativa para el tratamiento de aguas residuales. Medellín, 2005. p. 26. Proyecto de grado (Especialista en Ingeniería Ambiental). Universidad Pontificia Bolivariana. Escuela de Ingenierías. Especialización en Ingeniería Ambiental En la Tabla 5. aparecen los contaminantes importantes de las aguas residuales junto con las operaciones y procesos unitarios que se pueden emplear para eliminarlos.

56

Tabla 5. Operaciones y procesos unitarios y sistemas de tratamiento utilizados para eliminar la mayoría de los contaminantes presentes en el agua residual.

Contaminante Sistema de tratamiento, operación ó proceso unitario

Sólidos en suspensión

Desbaste y dilaceración, desarenado, sedimentación, filtración, flotación, adición de polímeros, sistemas naturales (tratamiento de evacuación al terreno) , coagulación/sedimentación.

Materia orgánica Biodegradable

Variantes de fangos activados, película fija: filtros percoladores y biodiscos, variantes de lagunaje, filtración intermitente en arena, sistemas físico – químicos, sistemas naturaleza.

Compuestos orgánicos volátiles

Arrastre por aire, tratamiento de gases, absorción en carbón.

Patógenos Cloración, hipócloración, cloruro de bromo, ozonación, radiación UV, sistemas naturales.

Nutrientes:

Nitrógeno

Variantes de sistemas de cultivo en suspensión con nitrificación y desnitrificación, variantes de sistemas de película fija con nitrificación y desnitrificación, arrastre de amoniaco, intercambio iónico, coloración al breakpoint, sistemas naturales.

Fósforo Adición de sales metálicas, coagulación y sedimentación con cal, eliminación biológica del fósforo, eliminación biológica – química del fósforo, sistemas naturales.

Nitrógeno y fósforo Eliminación biológica de nutrientes. Materia orgánica refractaria

Adsorción en carbón, ozonación terciaria, sistemas naturales.

Metales pesados Precipitación química, intercambio iónico, sistemas de tratamiento por evacuación al terreno.

Sólidos disueltos orgánicos

Intercambio iónico, osmosis inversa, electrodiálisis.

Fuente: TCHOBANOGLOUS, George et al. Ingeniería de aguas residuales : tratamiento, vertido y reutilización. 3 ed. México : Mc Graw Hill,1996. v.1, p. 144. 2.2 MÉTODOS ELECTROQUÍMICOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES

La búsqueda de nuevos tratamientos para combatir la contaminación ambiental, ha llevado a los científicos a considerar la utilización de los métodos electroquímicos para transformar y remover los contaminantes de efluentes.

57

Los métodos electroquímicos de tratamiento de aguas residuales como la electroflotación, electrodecantación y la electrocoagulación [41], involucran el uso de una celda electrolítica y un par de electrodos metálicos a través de los cuales se hace circular una corriente eléctrica. [62] Sistemas electroquímicos pequeños son viables y en vez de usar reactivos químicos y microorganismos, el sistema emplea electrones para realizar el tratamiento. Estos métodos utilizan una instrumentación robusta y compacta, fácil de conseguir que ofrezcan la posibilidad de una fácil distribución y potencialmente pueden reemplazar procesos sofisticados, ya que requieren contenedores de poca capacidad. Entre las ventajas de los métodos electroquímicos se encuentran los beneficios ambientales, de compatibilidad, versatilidad, eficiencia de energía, seguridad, selectividad, facilidad de automatización del proceso y bajos costos. Los métodos electroquímicos han sido estudiados pero pocos autores se han enfocado en las variables que son cruciales para el mejoramiento del desempeño de estas aplicaciones. [66] De todas las técnicas electroquímicas conocidas se tiene mayor interés en emplear la electrocoagulación como método de tratamiento de aguas residuales que contengan metales pesados, residuos de grasa, tintes textiles, partículas suspendidas, suspensiones acuosas de partículas ultrafinas, nitratos, fenoles, arsénico y contaminantes orgánicos, y se emplea para potabilizar agua. [66]

58

3. LA ELECTROCOAGULACIÓN La electrocoagulación es un método electroquímico de tratamiento de aguas contaminadas donde un electrodo de sacrificio se corroe para que se lleve a cabo la coagulación. [11] La electrocoagulación es un proceso complicado que envuelve varios mecanismos químicos y fenómenos físicos, que emplea electrodos consumibles para suplir iones en el agua residual. Un proceso de electrocoagulación involucra tres etapas sucesivas:

• Formación de los coagulantes por oxidación electrolítica del electrodo de

sacrificio. • Desestabilización de los contaminantes, partículas suspendidas y rompimiento

de la emulsión. • Agregación de las fases desestabilizadas para formar flocs. [66] El mecanismo de desestabilización de los contaminantes, partículas suspendidas y del rompimiento de emulsión se describe a continuación: • Compresión de la doble capa difusiva alrededor de las especies cargadas por

la interacción de los iones generados por la oxidación del ánodo de sacrificio. • Neutralización de las cargas de las especies iónicas presentes en el agua

residual ocasionada por lo iones coagulantes producidos por disolución electroquímica del ánodo de sacrificio. Estos iones coagulantes reducen la repulsión electrostática entre partículas lo que causa la coagulación y de este proceso resulta una carga neta igual a cero.

• Los flocs que se forman como resultado de la coagulación crean una capa de lodos que atrapa y conduce las partículas coloidales que permanecen en el medio acuoso. [66]

Las siguientes reacciones fisicoquímicas tienen lugar en una celda de electrocoagulación [66]: - Reducción catódica de las impurezas presentes en el agua residual. - Descarga y coagulación de las partículas coloidales. - Migración electroforética de iones en solución. - Electroflotación de las partículas coaguladas ocasionada por las burbujas de

hidrógeno y oxígeno producidas por los electrodos. - Reducción de los iones metálicos en el cátodo. - Otros procesos químicos y electroquímicos.

59

Cuando un potencial es aplicado por una fuente externa de energía, en el ánodo se lleva a cabo una oxidación mientras que en el cátodo se lleva a cabo una reducción. La reacción electroquímica con el metal (M) como ánodo se puede resumir como se muestra a continuación: [66] En el ánodo:

)1()()(−+ ⋅+→ enMM n

aqs

)2(42 )(2)()(2−+ ⋅++→ enOHOH gaql

En el cátodo:

)3()()( snaq MenM →⋅+ −+

)4(222 )(2)(2−− +→+ OHHeOH gl

En el ánodo metálico, fabricado habitualmente de hierro o aluminio, se llevan a cabo dos reacciones de separación. Inicialmente el ánodo se disuelve y produce de manera continua hidróxidos poliméricos metálicos que son excelentes agentes coagulantes. La coagulación ocurre cuando los cationes combinados con las partículas negativas son llevados cerca del ánodo por movimiento electroforético. También se da la electrolisis del agua en una reacción paralela produciendo pequeñas burbujas de oxígeno en el ánodo y de hidrógeno en el cátodo. Estas burbujas atraen las partículas floculadas y las hace flotar hasta la superficie, y es por esto que el proceso de electrocoagulación esta asociado de manera intrínseca a la electroflotación. Los contaminantes presentes en el agua residual son tratados por reacción química y por precipitación o adición física o química a materiales coloidales que se generan por la erosión del electrodo. Estos son removidos posteriormente por electroflotación o por sedimentación y filtración. El éxito de un proceso de electrocoagulación esta determinado por el tamaño de burbuja y la mezcla adecuada de éstas con el agua residual. Las pequeñas burbujas proveen mayor área superficial para que las partículas se adhieran en el lodo acuoso, resultando así una separación eficiente. [66] En un proceso de electrocoagulación el electrodo es usualmente conectado a una fuente de corriente directa. La cantidad de metal disuelto o depositado depende de la cantidad de electricidad que pase a través de la solución electrolítica. Una

60

relación simple entre la densidad de corriente y la cantidad de sustancia disuelta se puede derivar de la ley de Faraday:

)5(FnMtiw

⋅⋅⋅

=

Donde: W: es la cantidad de material de electrodo disuelto (gr de Metal cm.-2). i: densidad de corriente (A cm.-2). t: tiempo (s). M: peso molecular del electrodo concerniente. n: número de electrones en la reacción de óxido reducción. F: constante de Faraday (96,500 C mol-1). [66]

Se espera que la cantidad calculada de material disuelto concuerde con los resultados experimentales. Se puede introducir un error significativo en este cálculo si no se tiene en cuenta la geometría del electrodo y las condiciones óptimas de operación del electrocoagulador. [66]

3.1 POTENCIAL EN UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIÓN El potencial medido es la suma de tres componentes:

)6(IRMtKAP ηηηη ++= Donde:

APη : Sobrepotencial aplicado (V).

Kη : Sobrepotencial cinético (V).

61

Mtη : Sobrepotencial de concentración (V).

IRη : Sobrepotencial causado por la resistencia de la solución (V).

El sobrepotencial causado por la resistencia de la solución esta relacionado con la distancia entre los electrodos (d en cm.), el área superficial del cátodo (A en m2), la conductividad específica de la solución (k en mS m-1) y la corriente (I en A), por medio de la siguiente ecuación:

)7(kAdI

IR ⋅⋅

=η

Este sobrepotencial puede ser fácilmente minimizado decreciendo la distancia entre electrodos e incrementando el área de sección transversal de los electrodos y la conductividad especifica de la solución. El sobrepotencial de concentración también conocido como sobrepotencial de difusión o de transferencia de masa, es causado por la diferencia de concentración de las especies electroactivas entre la solución y la superficie del electrodo debido a la reacción del electrodo. El sobrepotencial de concentración es despreciable cuando la constante de velocidad de reacción es mucho menor que el coeficiente de transferencia de masa. El sobrepotencial de transporte de masa puede ser reducido incrementando el flujo de los iones metálicos transportados desde la superficie del ánodo hasta la solución aumentando la turbulencia de la solución. [66]

El sobrepotencial cinético también llamado potencial de activación es causado por la barrera de la energía de activación a la reacciones de transferencia de electrones. El sobrepotencial de activación es particularmente alto por la generación de gases en los electrodos. Ambos, el sobrepotencial cinético y de concentración, incrementan al aumentar la corriente. De cualquier manera el efecto de estos cambios debe ser investigado para tipos específicos de especies químicas y físicas en soluciones acuosas. [66]

62

3.2. TIPOS DE REACTORES PARA ELECTROCOAGULACIÓN Los reactores empleados para el proceso de electrocoagulación se pueden clasificar como se muestra en la Figura 1. La mayor cantidad de aplicaciones de la electrocoagulación son en continuo y trabajan en condiciones de estado estable o pseudo estable. La aplicación de la electrocoagulación en batch opera típicamente con un volumen constante de agua por ciclo de tratamiento y tiene una desventaja frente a los reactores en continuo desde el punto de vista de operación y diseño, ya que las condiciones dentro del tanque cambian con el tiempo, es decir, tiene un comportamiento dinámico. Una diferencia importante entre los reactores se debe a si en el reactor se lleva a cabo o no el proceso de flotación. [11] Figura 1. Clasificación de sistemas de reactores de electrocoagulación.

Fuente: HOLT, Peter K.; BARTON, Geoffrey W. and MITCHELL, Cynthia A. The future for electrocoagulation as a localized water treatment technology. En : Chemosphere. Vol. 59, No. 3 (Abr. 2005); p. 358.

63

3.3. DISEÑO DE UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIÓN Es importante diseñar una celda de electrocoagulación para alcanzar la máxima eficiencia posible, por lo tanto se deben considerar los siguientes factores: - Se debe minimizar el sobrepotencial entre electrodos causado por la resistencia de la solución y la acumulación de burbujas en la superficie de los electrodos. - Se debe maximizar la transferencia de masa entre electrodos. [66] El transporte de masa se puede incrementar aumentando la turbulencia de la solución en el reactor. Las burbujas gaseosas de oxígeno e hidrógeno que se forman alrededor de los electrodos son de forma esférica y a medida que se acumulan en la superficie de los electrodos se incrementa la resistencia eléctrica de la celda y como resultado de esto se requiere mayor cantidad de energía para lograr la eficiencia de remoción óptima; para minimizar esta acumulación de las burbujas se puede emplear vibraciones. [66] Para el diseño de un reactor de electrocoagulación se debe tener en cuenta que la celda de electrocoagulación de dos electrodos que se observa en la Figura 2., no es conveniente para tratamiento de aguas residuales por que para obtener una rata de operación de disolución del metal óptima se requiere el uso de electrodos con la mayor área superficial posible. El mejoramiento del desempeño se logra usando electrodos monopolares conectados tanto en paralelo como en serie. El arreglo en paralelo esencialmente consiste de un par de placas de metal ubicadas en medio de dos electrodos paralelos y una fuente de energía de corriente directa. En un arreglo monopolar cada par de electrodos de sacrificio están internamente conectados entre sí, y no tiene interconexión con los electrodos externos. Este arreglo de electrodos monopolares con celdas en serie es eléctricamente similar a una celda con múltiples electrodos e interconexiones. El montaje experimental requiere además de una caja de resistencias para regular el flujo de corriente y un multímetro para leer los valores de corriente. Las placas de metal se conocen comúnmente como electrodos de sacrificio (el electrodo de sacrificio y el cátodo pueden ser de materiales diferentes o iguales). [66] Se debe tener en cuenta que una diferencia de potencial mayor se requiere para un mismo flujo de corriente cuando se realiza el arreglo en serie, por que las celdas conectadas en serie tienen una mayor resistencia mientras que en un arreglo en paralelo la corriente eléctrica se divide entre los electrodos de manera proporcional a la resistencia de la celda individual. [66] Para mejorar el desempeño de la electrocoagulación se recomienda intercambiar la polaridad de los electrodos de manera intermitente. [33]

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Figura 2. Diagrama esquemático de una celda de electrocoagulación de dos electrodos.

Fuente: MOLLAH., Mohammad et al. Fundamentals, present and future perspectives of electrocoagulation. En: Journal of Hazardous Materials. Vol. 114, No.1-3 (Oct. 2004); p. 202. 3.4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO DE

ELECTROCOAGULACIÓN.

La electrocoagulación es una técnica eficiente cuya relación costo efectividad es buena. Además como no se requiere de productos químicos en este proceso entonces no se produce contaminación secundaria. Con esta técnica se pueden remover partículas coloidales pequeñas de manera eficiente en comparación con las técnicas químicas convencionales, ya que las pequeñas partículas cargadas tienen mayor probabilidad de ser coaguladas por el campo eléctrico que las mantiene en movimiento. [66, 12] En la Tabla 6. se encuentran listadas otras ventajas del proceso de electrocoagulación:

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Tabla 6. Ventajas de proceso de electrocoagulación. 1) Las burbujas producidas durante la electrocoagulación tienen mayor estabilidad que las generadas en los tratamientos de efluentes con flotación de aire comprimido y de flujo de aire disuelto, por lo que conservan su gran superficie de contacto y por tanto, aumenta la eficiencia de la remoción.

5) Sus costos de operación son relativamente bajos si se realiza un apropiado diseño del reactor, selección de los materiales para electrodos, y una optimización de los parámetros de funcionamiento. Éste proceso requiere poca corriente eléctrica y bajos costos de mantenimiento.

2) Éste tratamiento electroquímico provoca una mejor y rápida ruptura de las emulsiones, comparado con los equipos convencionales para separación de aceites.

6) El material separado por electrocoagulación puede ser reprocesado como subproducto lo cual permite que el efluente tratado pueda ser reutilizado.

3) La cantidad de lodos generados son menores que para otros métodos tradicionales, ya que se efectúa de manera simultánea flotación y coagulación.

7) Los equipos para electrocoagulación son compactos y fáciles de instalar, factores que son muy apreciables cuando no se dispone de espacio suficiente.

4) Permite la reducción de una amplia variedad de contaminantes, como: metales pesados, grasas y aceites, materia orgánica, fosfatos y cianuros.

8) Este proceso es sencillo de automatizar debido a que el control de dosificación se realiza mediante el ajuste de corriente.

Fuente: MERCADO MARTÍNEZ, Iván Darío. La electrocoagulación, una nueva alternativa para el tratamiento de aguas residuales. Medellín, 2005. p. 43. Proyecto de grado (Especialista en Ingeniería Ambiental). Universidad Pontificia Bolivariana. Escuela de Ingenierías. Especialización en Ingeniería Ambiental Entre las desventajas de la electrocoagulación se encuentra requerimientos como el reemplazo periódico del electrodo de sacrificio, y que el agua tenga una conductividad mínima que varía según el diseño del reactor lo que limita su uso en aguas con baja cantidad de sólidos disueltos. En el caso de la remoción de componentes orgánicos se pueden formar compuestos orgánicos tóxicos al emplear el método de electrocoagulación. También como una desventaja se encuentra la formación de una película de óxido impermeable en el cátodo que interfiere con el buen desempeño de la celda, este efecto se puede disminuir cambiando la polaridad de la celda. Los costo de operación de la celda de electrocoagulación pueden ser altos donde los costos de la electricidad sean altos. [66] Este sistema para el tratamiento de efluentes líquidos tiene una gran desventaja con respecto a otros tratamientos convencionales, ya que no tiene ninguna

66

incidencia en la remoción de la DBO ocasionada por los compuestos orgánicos solubles y solamente remueve un porcentaje de la DBO asociada con los sólidos suspendidos. Por lo tanto, si el objetivo del tratamiento es remover los compuestos orgánicos que ejercen una demanda bioquímica del oxígeno disuelto en las corrientes receptoras, el proceso de electrocoagulación resulta ser inadecuado. [49, 51] Además cuando la concentración de los metales en el efluente a tratar es baja, el tratamiento de electrocoagulación resulta ser inadecuado, sin embargo a concentraciones altas se logran importantes remociones. [62] La literatura no revela ningún avance sistemático para el diseño y operación de reactores para la electrocoagulación y no hay ningún diseño predominante usado hasta el momento, además las publicaciones hechas hasta el momento se refieren a operaciones en batch. También hay que considerar que hay poca asesoría disponible para realizar un diseño preliminar. Igualmente se debe tener en cuenta que el desempeño de este tipo de reactores depende de los electrodos y el arreglo empleado, y varía de acuerdo al tipo de material y geometría de los electrodos. [11] Tabla 7. Soluciones a las dificultades operativas de un sistema de electrocoagulación.

Dificultad operativa Solución 1) El mayor problema operativo proviene de la inutilización de los ánodos. Esto sucede, porque los hidróxidos insolubles pueden aglomerarse en la superficie del ánodo impidiendo el proceso de electrodisolución.

Para evitar éste problema se pueden utilizar electrodos móviles o sistemas de generación de turbulencia (agitadores mecánicos, difusores de gas, etc.) o cambiar su polaridad, periódicamente y de esta forma el hidrógeno desprendido favorece la separación de las capas adheridas a los electrodos.

2) Los principales problemas de esta tecnología aparecen si la concentración del ión a eliminar en el agua residual es baja, ya que aparecen limitaciones en el transporte de materia y disminuye la eficacia del proceso ya que los procesos electroquímicos depende de la conductividad del residuo líquido en que se realizan.

Cuando las aguas residuales no tienen suficiente concentración de sales, es necesario añadirlas ya que originan burbujas de gas de menores tamaños y también incrementan la conductividad del agua residual que se traduce en bajos consumos de energía y contribuye a un mejor rendimiento de los electrodos.

Fuente: MERCADO MARTÍNEZ, Iván Darío. La electrocoagulación, una nueva alternativa para el tratamiento de aguas residuales. Medellín, 2005. p. 45. Proyecto de grado (Especialista en Ingeniería Ambiental). Universidad Pontificia Bolivariana. Escuela de Ingenierías. Especialización en Ingeniería Ambiental

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3.5. APLICACIONES DE LA ELECTROCOAGULACIÓN La electrocoagulación tiene una larga historia como tecnología de tratamiento de aguas y la literatura indica que fue descubierta en los últimos cien años o quizás más. En tiempos recientes se ha dado un interés renovado por las plantas de tratamiento continuo de aguas para aplicaciones de tipo industrial, basadas en la tecnología de electrocoagulación, debido a su efectividad para remover un amplio rango de contaminantes, su bajo costo comparado con otras tecnologías y su simplicidad de diseño y operación. [11] Hasta el momento las aplicaciones y estudios reportados en artículos de revistas sobre la electrocoagulación se centran en un solo contaminante y todos estos experimentos prueban la viabilidad de la electrocoagulación. [11] Éste es un método efectivo para desestabilizar partículas finas dispersas en aguas, para tratar aguas con compuestos orgánicos complejos que se oxidan en el ánodo y se descomponen en sustancias simples que no son tóxicas. [9] Además ha sido aplicado de manera satisfactoria para tratar agua potable [26, 47, 30], aguas residuales de: procesadores de alimentos [17, 33], industria cervecera [56], urbanas [47], de restaurante [41, 32], industria textil [11, 49, 47, 41, 32, 28, 29], también para tratar aguas que contengan arsénico [28, 46, 38], iones fluoruro [31, 18, 10, boro [23], surfactantes [36], metales pesados [38, 19], aceites [57, 21], tintes textiles [41, 53, 54, 16, 14, 60, 1, 41, 55, 38], desechos poliméricos [22], partículas suspendidas [43], suspensiones acuosas de partículas ultrafinas [37], nitrato [58], residuos fenólicos [25], fósforo [45], flúor [18, 10, 50], entre otros. La optimización de la técnica de electrocoagulación es un proceso empírico, hasta el momento que comprende procesos químicos y físicos complejos que envuelven fenómenos de interfase y de superficie. Debido a que sus fenómenos no son totalmente entendidos, el diseño de los reactores se ve restringido para así obtener el desempeño óptimo de los mismos, y su potencial de aplicación se ve entonces limitado. [66] Sin embargo se reporta en la literatura algunos efectos de los factores controlables y variables respuesta en el proceso de electrocoagulación que deben tenerse en cuenta a la hora de realizar un el diseño de equipos o para la operación de los mismos, estos aspectos se resumen en las Tabla 8. y 9.

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Tabla 8. Efectos de algunos factores controlables en electrocoagulación. Factor Efectos

Voltaje

Es dependiente de la densidad de corriente, de la conductividad del agua a tratar, de la distancia entre electrodos y del estado de la superficie de los mismos. [33] El voltaje entre electrodos es independiente del pH si el agua tratada no se aleja mucho de un valor de pH de 7. [62] El voltaje puede minimizarse decreciendo la distancia entre electrodos e incrementando su área de sección transversal y la conductividad especifica de la solución. [66]

Densidad de corriente

Mientras mayor sea la densidad de corriente aplicada mayor será la producción de burbujas en los electrodos. [31]

Distancia entre

electrodos

Debe ser lo menor posible, ya que tiene una considerable influencia en el consumo de energía. [62]

Consumo de

electrodo

Como consecuencia de la disolución de los electrodos los electrodos se desgastan y su tiempo de vida útil se relaciona directamente con la corriente aplicada al sistema y el tiempo de residencia hidráulico del líquido a tratar [62]

Material del

electrodo

Deben tener resistencia química y buenas propiedades electroquímicas, por lo cual el cátodo debe contar con elevados sobrepotenciales que favorezcan las reacciones de descomposición del agua y permitan obtener elevados rendimientos electroquímicos. Usualmente se usan electrodos de aluminio y hierro.[44] Se debe tener en cuenta los precios según el material. [62]

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Tabla 9. Efectos de algunas de las variables respuestas sobre el proceso de electrocoagulación.

Variable respuesta Efectos

pH Medida de la acidez o alcalinidad de medios acuosos. Se expresa como el logaritmo negativo (base 10) de la concentración molar de iones H+. [68]

Es un factor importante que afecta el desempeño del proceso de electrocoagulación. [32, 41, 34].

Conductividad Es la medida de la capacidad del agua para conducir la electricidad. Es por tanto indicativa de la materia ionizable total presente en el agua. Esta proviene de una base, un ácido o una sal, disociadas en iones. [68]

Un incremento en la conductividad generalmente causa incrementos de la densidad de corriente para el mismo voltaje de celda por esto se quiere que la conductividad del agua sea lo más alta posible. [11]

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4. LA INDUSTRIA TEXTIL 4.1 GENERALIDADES La industria textil es una de las más grandes del mundo en términos de su producción y el número de trabajadores que ocupa; esta compuesta por más de 7000 plantas alrededor del mundo. 4.2 INDUSTRIA TEXTIL EN COLOMBIA Para hacerse una idea del impacto de la industria de textiles y confecciones en Colombia, hay que decir que es una de las más grandes y experimentadas de América Latina con la aplicación de tecnologías de punta. La cadena textil-confección concentra el 12.1% de la producción industrial de Colombia, cerca del 6% de las exportaciones totales y el 13.3% de las ventas de productos no tradicionales del país. [73] La oferta textil colombiana ofrece casi toda la gama de textiles, entre los cuales se encuentran como principal unidad de materia la oferta de fibras, que bien pueden ser naturales como el algodón o fibras sintéticas como el poliéster y el nylon. La etapa textil comienza propiamente con los hilanderos y termina con los tejedores, acabadores y fabricantes de artículos textiles; los componentes de mayor representatividad son los tejedores quienes tienen a su vez dos ramas importantes: los de tejido plano y los de tejido de punto, sobre estos se mide la capacidad de la industria textil en función del número de telares o de la capacidad de producción en metros cuadrados. [67] Colombia cuenta con más de 530 textileros dedicados a alguna de las diferentes etapas que componen la cadena textil. En la Tabla 10. y 11. se muestra como se distribuyen los asentamientos de la industria textil a lo largo del territorio nacional de acuerdo a la región y a la tecnología. Medellín y Bogotá concentran la industria textil de Colombia, sin embargo las condiciones son diferentes. En Medellín nació y se desarrollo la industria textil en Colombia, y ahora constituye una industria madura con instalaciones amplias e integradas, y cuenta con industrias poderosas y de renombre a nivel nacional como Fabricato, Tejicondor y Coltejer. También cuenta con empresas aunque pequeñas representativas en otros segmentos de la industria textil como por ejemplo, Indulana y Vicuña en la lana y Fatelares. Bogotá presenta una industria

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joven que data de la década de los 60 y 70; en cuya región se han posicionado marcas como Textilia, Protelia y Lafayette. [67] Tabla 10. Distribución de los tejedores en el país.

Actividad Medellín Bogotá Resto del país Total Tejido plano 21 66 16 103 Punto circular 88 57 8 153 Punto tricot 18 26 2 46 Punto raschel 9 18 2 29 Total Ciudad 136 167 28 331 Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones básicas. En : Plantación Estratégica de Coltejer. (1995); p. 16. Tabla 11. Distribución de otros textileros en el país.

Actividad Medellín Bogotá Resto del país Total Medias & Calc. 34 37 8 79 Cinteria 18 13 6 47 Hilanderos 20 26 13 49 Acabadores 12 13 0 25 Total Ciudad 84 89 27 200 Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones básicas. En : Plantación Estratégica de Coltejer. (1995); p. 16. No obstante Colombia es un país apto para la producción de la industria textil, es así como a partir de la década de los 80 la industria se viene expandiendo poniendo sus ojos en otras regiones como es el caso de Ibagué, en especial con la empresa Fibratolima. En Colombia la repartición de las empresas no corresponde a la capacidad de producción, Bogotá tiene el mayor número de empresas y representa el 39% de la producción mientras Medellín representa el 49%. En las Tablas 12, 13 y 14. se indica la distribución de la capacidad de producción por actividad y región. [67]

Ciudad

Ciudad

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Tabla 12. Telares instalados en tejeduría.

Actividad Medellín Bogotá Resto del país Total

Tejido plano 3665 2205 1357 7023

Punto circular 882 658 72 1612

Punto tricot 127 308 71 443

Punto raschel 71 367 8 443

Total Ciudad 4745 3538 1508 9521 Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones básicas. En : Plantación Estratégica de Coltejer. (1995); p. 17. Tablas 13. Telares instalados en confección tejida y maquinaria de hiladura.

Actividad Medellín Bogotá Resto del país Total

Medias 205 1284 230 1719

Calcetería 1555 470 97 2122

Cintería 2090 980 479 3549

Rectilíneas 300 1200 1500

Hilatura huso 564 210 197 971

Hilatura rotor 11600 10600 3500 25700 Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones básicas. En : Plantación Estratégica de Coltejer. (1995); p. 17. Tabla 14. Distribución de la capacidad de producción en millones m2

Tejeduría

Actividad Medellín Bogotá Resto del país Total

Tejido plano 270 166 79 515

Punto circular 104 77 9 190 Punto tricot 19 46 1 66

Punto raschel 399 33 1 40

Total Ciudad 399 322 30 811 % 49 39 12 100

Confecciones tejidas Medias 7 45 8 60 Calcetería 12 4 1 17 Cintería 12 6 3 21

Rectilíneas* 6 20 26 Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones básicas. En : Plantación Estratégica de Coltejer. (1995); p. 17.

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Las compañías tejedoras destacadas del país se muestras en la Tabla 15. Tabla 15. Principales Tejedores de tela del país Medellín Bogotá Resto del país

Tejido plano

Coltejer, Fabricato, Pantex, Tejicóndor, Fatelares, Indulana,

Vicuña, Bolton

Textilia, Textrama, Texmeralda, Hilat Lafayette, Intextil

Romanos, Poltexas,

Fibratolima (Ibagué)Unica (Manizales)

Celtex (Barranquilla)Fabrisedas (Cali)

Tejido de punto circular

Riotes, Coltepunto Liverpool, Prisma Lindalana, Arango

Balalaika, Gatv Vestimundo, Ciatex

Protela, Lafayette, Suavipunto, Eliot

Unionpunto, Hilacol Textilia, Textura.

Calitex (Cali) Fatextol (Ibagué)

Tejido punto rectilíneas

Formaflex, Balalaika, Puntoflex

Triconylon

Protela, Textura, Tricotexto, Lafayette

Rascheltex, Icobordados,

Cortintex

-

Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones básicas. En : Plantación Estratégica de Coltejer. (1995); p. 18. 4.3 PROCESOS DE LA INDUSTRIA TEXTIL Los procesos de producción de la industria textil se caracterizan por consumir gran cantidad de energía, colorantes, productos químicos y agua, y por causar contaminación química [29, 24]. La industria textil procesa diferentes fibras y debido a la gran diversidad de procesos, productos químicos y maquinaria empleada, estas industrias son muy variadas y numerosas, y van desde plantas altamente automatizadas hasta pequeñas instalaciones artesanales. [40] Los procesos de la industria textil comprenden las operaciones de pretratamiento, teñido, estampado y acabado. En el pretratamiento se elimina el carácter hidrofobito de la tela cruda por medio del engomado, donde se usan ceras, gomas o aceites naturales. En la operación de acabado se imprime a la tela cruda características y propiedades especiales, ya que ésta presenta una contextura rígida amarillenta, sin brillo y posiblemente tenga impurezas. Una vez terminado el acabado de la tela ésta debe absorber rápidamente agua, estar libre de grasas, gomas, minerales e impurezas y tener afinidad con los colorantes.

74

Dentro de los diferentes tratamientos que recibe la tela en la etapa de acabado están: Preparar la tela para posteriores etapas como el chamuscado, desengomado, descrude, mercerizado y blanqueo. Cambiar su fisonomía como el teñido y el estampado. Brindarle propiedades finales de apariencia, suavidad, inarrugabilidad y repelencia. [67] En la Figura 3. se observa un esquema de un proceso de acabado típico en la industria textil y su carga contaminante. Figura 3. Acabado textil y carga contaminante.

Fuente: RODRIGUEZ, Oscar y ROLDAN, Jhon Jairo. Alternativas para el tratamiento de aguas residuales en tintorerías textiles : Caso PANTEX S.A. Medellín, 1997, 189 p. Tesis (Ingeniero Químico). Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad de Ingeniería Química.

75

4.4 CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA

TEXTIL

De los 200 mil millones m3 de agua dulce disponible para la industria a nivel mundial, 2.5 mil millones de m3 es decir el 1.25% corresponde a industrias textiles, la cual estará altamente contaminada después de los procesos. Para la fabricación de una tonelada de producto textil se consume aproximadamente 200 toneladas de agua y del total de productos químicos utilizados el 90% aproximadamente es vertido como desecho después de cumplir su misión. [27] En la Gráfica 4. se observa la distribución del consumo de agua en la industria textil. [24] Gráfica 4. Distribución del consumo de agua en la industria textil.

41%Pre-

tratamiento

1% Acabados

52%Tintura

6%Refrigeración

Fuente: BOTERO SANIN, Luís Fernando. Industria textil y medio ambiente. Parte I. En : Colombia Textil. Vol. 32, No. 121 (jul.–sep. 1996); p. 50. Las operaciones que contribuyen con la mayor descarga de desechos líquidos son el lavado, la tintura, el estampado y el acabado. Las aguas residuales textiles son irregulares y variables en su composición ya que dependen de la unidad de proceso y la operación que se efectué. [67] Las industrias textiles son contaminantes en términos de volumen y complejidad de sus efluentes ya que cada una de las actividades que realizan genera agua residual de características muy variables. [40] Además las aguas residuales textiles se caracterizan por tener pH que varía de acuerdo al proceso, altos valores de DQO, DBO, altos niveles de color, turbiedad, una alta concentración de sólidos suspendidos y descargas a altas temperaturas. [8, 11, 41] Valores típicos de DQO y DBO para industrias dedicadas al acabado textil son 1700 mg O2/L y 550 mg

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O2/L. [24] Las aguas residuales de teñido y de procesos de acabado de la industria textil con una demanda química de oxígeno que exceda 1600 mg/l y que tenga un color muy oscuro es considerada agua residual altamente contaminada y fuente significativa de contaminación. [11] En la Tabla 16. se clasifican los contaminantes de las aguas residuales textiles en tres grandes grupos. [40] Tabla 16. Clasificación general de los contaminantes de las ARI textiles

Clasificación Efectos contaminantes

Materias en suspensión: (Residuos minerales, fibras, sustancias insolubles…) Son relativamente escasas en los efluentes textiles excepto en los lavaderos de lana.

Las materias disueltas se depositan lentamente sobre los cursos de agua, si el depósito es importante afecta la vida acuática. Cuando estas materias son de naturaleza orgánica se descomponen progresivamente agotando el oxígeno y generando gases tóxicos y mal olientes.

Materias flotantes: Aceites, grasas y espumas

Disminuyen el crecimiento de la flora acuática al impedir la penetración de la luz. Los aceites en particular son tóxicos y perturban la aireación de los cuerpos acuáticos y destruyen la vegetación. La industria textil sólo genera grasas y aceites de forma importante en el lavado de la lana y en los procesos de estampación en los que intervienen pastas de petróleo. Los tensoactivos son de uso generalizado y en concentraciones bajas (1 - 3 mg/L) son suficientes para producir espuma al verter el agua incluso después de un proceso de depuración. No obstante si las cantidades de tensoactivo son pequeñas la espuma desaparece después de muy pocos metros del vertido.

Impurezas disueltas: Son los contaminantes presentes en las ARI textiles de mayor importancia, entre estos se encuentran: ácidos, álcalis, reductores, oxidantes, colorantes y un sin número de productos auxiliares todos ellos solubles en agua.

Los reductores y la materia orgánica disuelta consumen el oxígeno. Algunos de los productos contaminantes disueltos pueden ser además tóxicos, como los derivados fenólicos, transportadores de tintura, cromo, grasa, aceites, metales pesados, etc.

Fuente: CRESPI, M y HUERTAS, J. A. ¿Industria textil : Depuración biológica o fisicoquímica? En : Boletín Intextar del Instituto de Investigación Textil y de Cooperación Industrial Terrasa. Vol. 2, No. 92 (jul.–dic. 1987); p.75-90

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Teniendo en cuenta el proceso de acabado señalado en la Figura 3. se observa que cada etapa contribuye en la carga total contaminante y por ende en la composición del agua residual. La carga contaminante del desengomado está dada por sólidos suspendidos y disueltos, grasas y aceites. Ésta etapa contribuye aproximadamente en un 50% del total de sólidos suspendidos producidos por la planta. En el mercerizado también se emplea soda cáustica causando los mismos efectos sobre la carga contaminante que el desengomado. [67] En la etapa de descrude se emplea hidróxido de sodio o soda cáustica, que causa una elevada alcalinidad y color grisáceo en el agua residual (color que es justificado por las impurezas aun presentes en la tela), por lo general no es posible recuperar este agente químico por los altos costos que esto conlleva. [67] El blanqueo es realizado con peróxido de hidrógeno contribuye poco con la carga contaminante. [67] El aporte a la carga contaminante de los procesos de teñido es muy significativo y depende del tipo de colorante utilizado en la tintura, por lo general se presentan bajas cantidades de sólidos suspendidos y altas cantidades de DQO y DBO. En la Tabla 17. se observan valores típicos de la carga contaminante causada por diferentes colorantes. [67] Tabla 17. Carga contaminante que aportan los colorantes.

Colorante Litros de agua por Kg. de Tela

DQO (ppm)

Sólidos totales (ST)

Reactivos 74-210 150-400 2400-8200 Directos 14-53 440-1200 220-14000

Sulfurosos 24-212 22-3600 4200-14100 Tinas 8-160 250-3000 1700-7400

Fuente: RODRIGUEZ, Oscar y ROLDAN, Jhon Jairo. Alternativas para el tratamiento de aguas residuales en tintorerías textiles : Caso PANTEX S.A. Medellín, 1997. 150 p. Tesis (Ingeniero Químico). Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad de Ingeniería Química El estampado presenta elevada DQO y DBO, alto contenido de sólidos y los valores de pH se encuentran entre neutro y alcalino. [67] La contribución de los procesos especiales a la carga contaminante está dada por resinas y productos naturales que son aplicados a la tela para darle propiedades particulares. [67]

78

4.4.1 Aguas residuales de los procesos de teñido. En general las aguas residuales del proceso de teñido contiene fibras textiles, tintes reactivos hidrolizados que no se fijan en las fibras y que representan entre un 20% y 30% del tinte aplicado, estos residuos de tintes son los responsables de la coloración del agua y no pueden ser reciclados. Además contienen tintes auxiliares, sustancias orgánicas que tampoco son reciclables y que son los responsables del alto nivel de DBO y DQO de los efluentes, también contienen electrolitos principalmente carbonato de sodio y cloruro de sodio. Este tipo de efluentes alcanza pH entre 10 y 11 y temperaturas entre 50 y 70ºC. [29] Los procesos de teñido son de los que aportan mayor carga contaminante de los procesos textiles debido a que causan coloración de las aguas y a los tintes que contienen sustancias tóxicas y cancerígenas. [8] Tal coloración tiene un impacto negativo sobre la fuente de agua receptora, porque interfiere con la transmisión de luz a través del agua impidiendo la fotosíntesis de las plantas acuáticas [59, 61]. Estas aguas cambian de color con frecuencia ya que los tintes varían según los requerimientos del consumidor. [20] 4.5 TRATAMIENTOS PARA LAS ARI TEXTILES POR

ELECTROCOAGULACIÓN

La industria textil es un sector expuesto a la sensibilidad pública y está sometido a críticas, por lo tanto debe considerar como lograr sobre la tela los efectos finales deseados sin tener un impacto sobre el medio ambiente negativo. Por el momento la importancia del impacto ambiental es una realidad en los países industrializados y una necesidad a corto y mediano plazo para aquellos que se encuentran en vía de desarrollo, esto significa que toda inversión realizada en la protección del medio ambiente supone una garantía para el futuro, el alcance de mercados internacionales, el aumento de la competitividad, evita problemas con el público, el gobierno y las entidades financieras internacionales, además permite controlar riesgos de accidentes, sacar ventajas de nuevas oportunidades y disminuir sanciones por contaminación. [24] Debido a la variabilidad en composición de las aguas residuales provenientes de la industria textil algunos de los métodos convencionales empleados para la descontaminación de este tipo de ARI como degradación química, adsorción, precipitación, fotodegradación, biodegradación y coagulación química [41] son inadecuados e insuficientes, y los costos de emplear dichos métodos son altos debido a que requieren de gran cantidad de reactivos químicos y espacio para el montaje de los equipos de proceso. Es por esto que los métodos electroquímicos para tratamiento de estos efluentes son tan prometedores debido a que se han comprobado su buen funcionamiento para remover contaminantes que se

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encuentran en este tipos de aguas [11] y además se ha encontrado que la mayoría de los compuestos que originan el color de los efluentes son factibles de remover por medio de tratamientos electrolíticos [70, 29, 2, 52, 34]. La electrocoagulación es un método electroquímico simple y efectivo que ha sido empleado de manera en los últimos años como un método para tratar aguas residuales de la industria textil, debido a que remueve de manera eficiente DQO, color, turbiedad y sólidos disueltos y además opera con bajo consumo de energía. [11] En la literatura se reporta algunos efectos de los factores controlables y variables respuesta en el proceso de electrocoagulación que deben tenerse en cuenta junto con los descritos en las Tablas 8.y 9. para la optimización de este proceso al tratar aguas de la industria textil, estos aspectos se resumen en las Tabla 18. y 19. Tabla 18. Efectos de factores controlables en la electrocoagulación en ARI textiles.

Factor Efectos

Densidad de

corriente

Para igual tiempo de retención y eficiencia de remoción de turbidez y DQO, el hierro requiere aproximadamente un 50% menos de densidad de corriente que el aluminio. [13] Es el parámetro más importante para controlar para controlar la velocidad de reacción en el rector por que determina la rata de producción de coagulante y ajusta la rata y el tamaño de burbuja. [41]

Tiempo de retención

En ARI textiles el tiempo de operación y la densidad de corriente muestran efectos similares en el consumo de energía y desgaste de los electrodos. Además se ha observado que para electrodos de aluminio el tiempo de retención es aproximadamente 50% mayor que para electrodos de hierro para obtener la misma remoción de DQO. [11]

Energía eléctrica

consumida

La energía consumida KWh por Kg. de DQO removido es menor usando hierro como electrodo, y al aumentar la conductividad del agua decrece este consumo, esto para ARI textiles. [11]

Consumo de

electrodo

Para ARI textiles se ha encontrado que el consumo de electrodo por Kg de DQO removido es menor usando electrodos de aluminio, además al aumentar la conductividad del agua decrece este consumo. [11]

Material Del electrodo

Para aluminio la energía consumida es mayor y el consumo de electrodo es menor, que usando electrodos de hierro. [13]

80

Tabla 19. Efectos de algunas de las variables respuestas en electrocoagulación. Variable respuesta Efectos

PH Medida de la acidez o alcalinidad de medios acuosos. Se expresa como el logaritmo negativo (base 10) de la concentración molar de iones H+. [68]

En tratamiento de ARI textiles se debe aluminio si el ph es menor a 6 ya que se obtiene mayor eficiencia de remoción de turbidez y DQO, mientras que en medio alcalino o neutro se prefiere hierro. [13] Para un pH entre 5.5 y 8.5 se da la mayor eficiencia de remoción de color causado por tintes, pero no es necesario realizar un ajuste de pH si el ARI textiles no se encuentra en este rango. [41]

DQO Parámetro de contaminación de agua que mide la materia orgánica contenida en una muestra líquida mediante oxidación química. [3]

En ARI textiles se ha encontrado que el hierro es más eficiente para remover DQO que el aluminio, ya que hay diferencias en el mecanismo de remoción de DQO para aluminio y hierro, ya que la remoción de DQO con electrodo de aluminio se lleva a cabo por electrocoagulación, mientras que con electrodos de hierro se lleva a cabo por efecto de electrocoagulación y electro - oxidación. [11]

Conductividad: La conductividad es la medida de la habilidad de una solución acuosa para conducir una corriente eléctrica, ésta habilidad depende de la concentración, movilidad y valencia de los iones presentes. [3]

Las ARI textiles varían su conductividad según el proceso, la conductividad del agua residual se puede ajustar hasta los niveles deseados adicionando sales como NaCl o agua desionizada, estos ajustes afectan el valor inicial de pH. Para electrodos de hierro y aluminio el consumo de energía y de electrodo disminuye al aumentar la conductividad del agua. [11] Aumentar la conductividad de las aguas residuales no tiene un efecto considerable en la eficiencia de remoción de color en aguas con tintes. [41]

Color Aparente: Color ocasionado por sustancias en solución, coloidales y material suspendido. [3]

La decoloración de las aguas residuales de lavanderías industriales es más rápida con electrodos de aluminio que de hierro. Éstos últimos, hacen cambiar el color de las aguas de azul a verde y por último las decoloran mientras el aluminio vuelven las aguas incoloras directamente en tiempos más cortos, por lo tanto son mejor opción si se pretende reutilizar parte del agua tratada, porque los óxidos de hierro pueden deteriorar las prendas [30, 61]

81

4.6 REUSO DE EFLUENTES DE LA INDUSTRIA TEXTIL

Por cada tonelada de tela que se produce se consumen de 20 a 350 m3 de agua, este amplio rango refleja la variedad de procesos de la industria textil. Debido a la gran cantidad de agua requerida en los procesos de la industria textil y al alto costo del vertimiento y disposición del agua, se considera el reuso de estos efluentes industriales como una alternativa viable para disminuir los costos y la contaminación ambiental. [71] Es imprescindible disminuir la coloración de estos efluentes al mínimo, y remover los compuestos orgánicos e inorgánicos de los efluentes así como los sólidos suspendidos, si se desea reusar el agua, es decir, que los efluentes de un proceso, tratados o sin tratar, se emplean en otro proceso que requiere una calidad de agua diferente. [6] Los tratamientos convencionales de ARI textiles consisten en la combinación de procesos físicos, químicos y biológicos. Los procesos biológicos son poco efectivos en la remoción de tintes ya que por lo general son polímeros de baja biodegradabilidad y las otras técnicas convencionales se ven limitadas por los bajos rangos de concentración en que pueden ser utilizados, sin embargo, los métodos electroquímicos han probado ser satisfactorios en la remoción de tintes. [49] Para el tratamiento de estas aguas se sugiere mezclar los diferentes efluentes, eliminar la mayor cantidad de contaminantes y reutilizar el agua para lavados o como aguas de proceso, dependiendo del tratamiento seleccionado para la descontaminación. [29]

82

5 DISEÑO DE EXPERIMENTOS

Para determinar la factibilidad de la implementación de un tratamiento para aguas provenientes de lavanderías industriales por electrocoagulación con el fin de obtener agua de reuso para así disminuir costos de producción, y teniendo en cuenta la información encontrada en la búsqueda bibliográfica, se llevó a cabo un diseño de experimentos con el cual se determinó la forma adecuada de correr las pruebas experimentales de manera tal que la información obtenida permitió obtener conclusiones estadísticamente válidas sobre el proceso. Como es necesario estudiar varios factores del proceso de electrocoagulación, se seleccionó el diseño experimental factorial fraccionado 2K-P, ya que éste diseño permite investigar el efecto individual principal y de interacción de los diferentes factores sobre las variables respuestas. Los diseños factoriales fraccionados sacrifican información poco importante (interacciones de alto orden), en aras de un número de tratamientos manejable y de obtener información de los efectos relevantes, en este caso se considera verdad el principio de jerarquía de los efectos (son más importantes los efectos principales, seguidos por interacciones dobles, luego las triples, cuádruples, etc.); además cuando se elige correr una fracción se busca poder estimar los efectos relevantes. Las variables respuestas que se consideraron son turbiedad, conductividad y pH, y los factores controlables: voltaje, distancia entre placas, material del ánodo, número de placas y tiempo de retención, estos factores fueron elegidos de acuerdo a la posible influencia que tienen sobre las variables respuesta. Se realizó una réplica de los experimentos y se trabajó cada uno de los factores en dos niveles. 5.1 DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS

Para el análisis de los datos experimentales se empleo el software especializado Statgraphics donde se desarrolló un diseño factorial fraccionado 25-1 que estudia el efecto de 5 factores en 32 experimentos realizados en dos réplicas y cada factor en dos niveles, para evaluar la influencia de los factores sobre las variables respuesta. Los experimentos se llevaron a cabo de manera aleatoria para minimizar el efecto de las variables no controladas. Los factores controlables y las variables respuestas se seleccionaron según la supuesta influencia sobre el proceso de electrocoagulación reportado en la bibliografía. La información básica acerca de los factores controlables y las variables respuestas en el diseño de experimentos se presenta en las Tablas 20 y 21. respectivamente.

83

Tabla 20. Información de los factores controlables del diseño de experimentos Factores Nivel bajo Nivel Alto Unidades Continuo Voltaje 10.0 20.0 V Si

Distancia entre placas 0.7 1.5 cm. Si Material del ánodo Aluminio (-1) Hierro (1) - No

Tiempo de retención 5.0 10.0 Min. Si Número de placas 2 6 - No

Tabla 21. Información básica de las variables respuestas estudiadas.

Variable respuesta Unidades Instrumento de medición pH Unidades de pH PHmetro (WTW 330i)

Conductividad mS/cm. Conductímetro (WTW 330i) Turbiedad NTU Turbidímetro (HANNA Instruments)

5.2 MATERIALES Y MÉTODOS Se empleó una muestra de agua textil de varios procesos de lavado y teñido que se llevan a cabo en una lavandería industrial de la ciudad de Medellín. La Tabla 22. resume las características de los efluentes industriales empleados en la experimentación y según estos valores se seleccionaron los niveles de los factores para el diseño de experimentos. Tabla 22. Caracterización del ARI empleada en los experimentos.

Parámetro Valor pH 2.82

Conductividad 2.53 mS/cm. Turbiedad 248 NTU

Los experimentos se llevaron a cabo a escala de laboratorio en celdas rectangulares de acrílico de dimensiones 30 cm. de profundidad, 10 cm. de ancho y 10 cm. de largo. Se emplearon electrodos de placas planas de calibre 20, de 10 cm. de ancho por 20 cm. de largo con un área de ánodo activa total de 81.25 x 10 cm2 para 6 placas y de 15.45 x 10 cm2 para 2 placas. Se emplearon ánodos de hierro o aluminio y cátodos de acero inoxidable. En cada experimento se trató una muestra de 2L de agua residual y se empleó una fuente regulada de voltaje (Inelpro, 110V monofásica), para aplicar un sobrepotencial de 10V ó 20V según el caso. Las muestras se filtraron con papel filtro antes de ser analizadas, para retirar lodos y sólidos gruesos como lanas y piedra pómez, para asegurar una muestra homogénea y que la medición de turbiedad fuera confiable, simulando así la forma

84

en que se llevan a cabo los procesos a escalas mayores. Las variables respuestas se midieron de acuerdo a los procedimientos del Standard Methods of Water and Wastewater [3]. El montaje experimental se observa en las Figuras 4. y 5. y en la Foto 1. Figura 4. Diagrama esquemático del montaje experimental

Figura 5. Modelo de reactor de electrocoagulación utilizado con electrodos bipolares en serie.

85

Foto 1. Montaje experimental.

Fuente: tomada por Maria Catalina Bermúdez. Medellín. 2006. Los resultados experimentales obtenidos se observan en las Tablas 23. y 24.

86

Tabla 23. Resultados experimentales de la primera réplica.

Voltaje Distancia entre Placas

Material del ánodo

Tiempo de retención

Número de placas pH Conductividad Turbiedad

Réplica

V Cm - min - - mS/cm NTU 1 10 1.5 Aluminio 10 6 4.59 2.03 212 1 20 1.5 Hierro 10 6 6.00 1.986 187 1 20 0.7 Hierro 10 2 5.14 2.02 55 1 20 0.7 Aluminio 5 2 4.94 2.04 61 1 10 0.7 Hierro 5 2 3.57 2.16 195 1 10 1.5 Hierro 10 2 3.41 2.21 197 1 20 1.5 Aluminio 5 6 5.28 2.05 162 1 10 0.7 Hierro 10 6 4.97 2.05 166 1 20 0.7 Aluminio 10 6 6.22 2.01 94 1 10 0.7 Aluminio 5 6 3.98 2.04 187 1 20 1.5 Hierro 5 2 4.3 2.14 65 1 20 1.5 Aluminio 10 2 5.07 2.06 72 1 10 1.5 Aluminio 5 2 3.61 2.16 233 1 10 1.5 Hierro 5 6 3.53 2.23 283 1 10 0.7 Aluminio 10 2 5.58 2.03 68 1 20 0.7 Hierro 5 6 5.92 1.992 204

87

Tabla 24. Resultados experimentales de la segunda réplica.

Réplica Voltaje Distancia entre Placas

Material del ánodo

Tiempo de retención

Número de placas pH Conductividad Turbiedad

V Cm - min - - mS/cm NTU 2 20 1.5 Hierro 10 6 5.78 1.986 219 2 20 0.7 Hierro 10 2 4.64 2.04 52 2 20 0.7 Aluminio 5 2 5.09 2.05 133 2 10 0.7 Hierro 5 2 3.32 2.27 191 2 10 1.5 Hierro 10 2 5.72 2.06 109 2 20 1.5 Aluminio 5 6 5.84 2.04 146 2 10 0.7 Hierro 10 6 5.96 2.02 217 2 20 0.7 Aluminio 10 6 6.79 2.02 103 2 10 0.7 Aluminio 5 6 3.97 2.12 210 2 20 1.5 Hierro 5 2 4.88 2.07 138 2 20 1.5 Aluminio 10 2 5.75 2.06 73 2 10 1.5 Aluminio 5 2 4.05 2.07 257 2 10 1.5 Hierro 5 6 4.09 2.06 457 2 10 0.7 Aluminio 10 2 5.93 2.05 84 2 20 0.7 Hierro 5 6 6.20 2.04 196 2 10 1.5 Aluminio 10 6 4.59 2.03 212

88

5.3 ANÁLISIS DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS

El análisis de experimentos que se presenta a continuación muestra el anova para cada variable respuesta, donde se observa el diagrama de paretto y con base en este la incidencia de los factores, asimismo se plantean cuáles son los efectos principales con la influencia individual que este realiza sobre la variable respuesta y se procede a graficar tales efectos uniendo los puntos correspondientes de la media de la variable respuesta en el nivel alto de cada factor y la media de la variable respuesta en el nivel bajo. También se presentan los efectos de interacción que permiten hacer una interpretación de la dependencia de dos factores, es decir de como interactúa un factor cuando el efecto de uno depende del nivel en el que se ubica el otro. Tanto los efectos principales como las interacciones muestran la influencia del efecto sobre la variables mas no la tendencia de ésta sobre el fenómeno. Es importante aclarar que los modelos que aquí se presentan son estadísticos y hacen referencia a la región experimental con la que se trabaja, por tanto no es aconsejable extrapolarlos ni considerarlos un modelo que explique la fenomenología del proceso.

5.3.1 Anova de pH. El agua requerida en los procesos de la industria textil debe ser de calidad similar a la de agua potable [5], por lo tanto si se considera tratar los efluentes industriales con fines de reuso, el rango de pH del agua residual luego del tratamiento idealmente debe tener valores entre 6.5 y 9 según el Decreto 475 de 1998 [65] ó si se requiere el cumplimiento de los parámetros de descarga de aguas residuales según el Decreto 1594 de 1984, el agua debe tener valores de pH de 5 a 9 unidades. [63] Ambos objetivos pueden lograrse en el proceso de electrocoagulación ya que como se observa los valores de pH de estos efluentes no se encuentran en estos rangos exigidos. Entonces el rango de pH esperado es entre 6 y 9 unidades de pH. - Análisis de varianza. El anova divide la variabilidad en pH en distintos segmentos separados para cada uno de los efectos. Como se observa en la Tabla 25. en este caso seis de los efectos tienen valores de P-Value (significancia prefijada) menores que 0.05, lo que indica que el efecto del factor o de la interacción es significativo y tiene importancia sobre el pH.

89

Tabla 25. Anova para pH

Fuente Suma de Cuadrados

Grados de

libertad

Mean Square F-Ratio P-Value

A: Voltaje 8.0802 1 8.0802 49.03 0.0000 B: Distancia entre placas 0.73205 1 0.73205 4.44 0.0479

C: Material del ánodo 0.702112 1 0.702112 4.26 0.0522 D: Tiempo de retención 6.53411 1 6.53411 39.65 0.0000 E: Número de placas 2.88 1 2.88 17.47 0.0005

AD 2.30051 1 2.30051 13.96 0.0013 AE 1.46205 1 1.46205 8.87 0.0074 BD 0.127512 1 0.127512 0.77 0.3895 CD 0.25205 1 0.25205 1.53 0.2305 CE 0.891112 1 0.891112 5.41 0.0307

Bloques 1.70201 1 1.70201 10.33 0.0044 Error total 3.29628 20 0.164814

Total 28.96 31 El modelo tiene valores de R2 88.6178%, R2 ajustado 83.1978% y el error estándar de estimación es 0.405973. R2 indica que el modelo explica el 88.6178% de la variabilidad del pH. R2 ajustado se usa cuando hay muchos términos en el modelo (porque en estos casos R2 se incrementa artificialmente), en este caso es 83.1978% lo cual muestra que el modelo simula de forma muy apropiada el comportamiento de los datos. Gráfica 5. Diagrama de Pareto Estandarizado para pH

0 2 4 6 8Efecto Estandarizado

BDCD

CB

CEAEAD

EDA

+-

90

En la Gráfica 5. se presenta el diagrama de pareto estandarizado para pH que muestra cada uno de los factores estimados en orden decreciente de magnitud, la longitud de cada barra es proporcional al efecto estandarizado, que es el efecto estimado dividido su error estándar. La línea vertical se emplea para estimar cuales efectos son estadísticamente significativos, cualquier barra que cruce la línea corresponde a un efecto estadísticamente significativo con un nivel de confianza del 95%, en este caso los factores significativos son voltaje, tiempo, número de placas, y las interacciones dobles de voltaje con el tiempo y con el número de placas, adicionalmente la interacción del material con el número de placas. La distancia entre placas también tiene un efecto significativo (p-value menor a 0.5) pero no es comparable con los demás efectos. - Coeficiente de regresión. En la Tabla 26. se encuentran los coeficientes de regresión para el modelo estadístico aproximado de pH mientras que la ecuación que describe el modelo se presenta a continuación. pH = -0.393594 + 0.261375 A + 0.0953125 B + 0.118125 C + 0.571937 D -

0.34125 E - 0.02145 AD + 0.04275 AE - 0.063125 BD - 0.0355 CD + 0.166875 CE

Los valores de las variables en la ecuación son especificados en sus unidades originales, excepto para los factores categóricos que toman el valor de -1 para el nivel bajo y de +1 para el nivel alto... Véase Tabla 20... Tabla 26. Coeficientes estimados de regresión del modelo matemático de pH

Coeficiente Estimado Constante -0.393594 A: Voltaje 0.261375 B: Distancia entre placas 0.0953125 C: Material 0.118125 D: Tiempo 0.571937 E: Número de placas -0.34125 AD -0.02145 AE 0.04275 BD -0.063125 CD -0.0355 CE 0.166875

91

- Análisis gráfico de datos. A continuación se presentan las gráficas y el análisis de los efectos e interacciones binarias estadísticamente significativas de la variable respuesta pH. De las Gráfica 6., 7. y 8. se encuentra que el voltaje óptimo es 20V, se deben utilizar 6 placas y el tiempo de retención debe ser máximo (10 min.) para obtener un valor de pH entre 5 y 9. [63, 65] Gráfica 6. Efecto A para pH

10

4.485

pH

4.4

4.6

4.8

5

5.2

5.4

5.6

Voltaje 20

5.49

Gráfica 7. Efecto D para pH

54.53562

pH

4.5

4.7

4.9

5.1

5.3

5.5

Tiempo de Retención 10

5.43938

92

Gráfica 8. Efecto E para pH

2

4.6875

pH

4.6

4.8

5

5.2

5.4

Número de Placas 6

5.2875

La interacción voltaje-tiempo que se observa en la Gráfica 9. muestra que para alcanzar el rango de pH esperado es necesario mantener el voltaje en 20V ó el tiempo en 10 min., si alguno de los factores cumple estas condiciones el pH alcanza valores entre 5 y 9. El valor óptimo de pH se obtiene al combinar ambos factores y es importante saber que con solo tener uno de ellos alto puede suplir al otro en sus funciones pero tenerlos en sus valores mínimos no es nada recomendable. Para un tiempo de 10 min. el efecto del voltaje sobre el pH es menos significativo que para un tiempo de 5 min. Gráfica 9. Interacción AD para pH

105 min

10 min

3.7

4.1

4.5

4.9

5.3

5.7

PH

Voltaje (V) 20

5 min

10 min

93

La interacción voltaje-número de placas que se observa en la Gráfica 10. muestra que el voltaje es un factor determinante y debe ser máximo (20V) si se quieren obtener valores de pH entre 5 y 9. El efecto del voltaje además es pronunciado cuando se usan 6 placas. Entonces como ya se encontró anteriormente para alcanzar un pH que se encuentre dentro del rango permitido se requieren 6 placas y 20V. Gráfica 10. Interacción AE para pH

102 Placas6 Placas

4.3

4.6

4.9

5.2

5.5

5.8

6.1

PH

Voltaje (V) 20

2 Placas

6 Placas

En la Gráfica 11. se presenta la interacción de material con número de placas, donde se muestra que el material que se usa solo es determinante en el caso en que se usen 2 placas, pero si se usan seis placas se puede optar por el material más conveniente desde el punto de vista económico. Gráfica 11. Interacción CE para pH

Aluminio

2 Placas

6 Placas

pH

4.34.54.74.95.15.35.5

Material PlacasHierro

2 Placas

6 Placas

94

En las Gráficas 12. y 13. se presentan los efectos distancia entre placas y material del ánodo respectivamente, se encuentra que con ánodos de aluminio y una distancia entre placas de 0.7cm, se obtiene un pH entre el rango permitido. Gráfica 12. Efecto B para pH

0.7

5.13875

pH

4.8

4.9

5

5.1

5.2

Distancia entre Placas (cm)1.5

4.83625

Gráfica 13. Efecto C para pH

Aluminio

5.13563

pH

4.8

4.9

5

5.1

5.2

Material ánodoHierro

4.83937

En la Gráfica 14. se observan un diagrama de todos los efectos que son estadísticamente significativas para la variable respuesta pH, de donde se concluye que el voltaje, el tiempo y el número de placas (los factores que influyen de forma determinante en el pH de acuerdo con el diseño de experimentos) deberán estar en sus valores (+) para alcanzar un pH entre 5 y 9. Y por el contrario la distancia entre placas se debe minimizar.

95

Gráfica 14. Diagrama de efectos principales para pH

B D

pH

4.4

4.6

4.8

5

5.2

5.4

5.6

A C E

En la Gráfica 15. se presenta un diagrama de todas las interacciones que no fueron eliminadas para realizar el análisis y se debe tener en cuenta que las interacciones BD y CD no son estadísticamente significativas para la variable respuesta pH pero sin embargo no fue necesario eliminarlas debido a que se obtuvo con ellas valores altos de R2 y R2 ajustado. Gráfica 15. Diagrama de interacciones principales para pH

-

+

AE

+

+

BD

--

+

pH

CE

-

-

+

3.74.14.54.95.35.76.1

AD

-

+

-

-

+

+

CD

- -

+ +

- Optimización local. El objetivo de la optimización en este caso se maximizar localmente el pH en lugar de ajustarlo a un valor objetivo entre 5 y 9 [63, 65] porque en ésta zona de experimentación no se alcanzan valores de 7 unidades de

96

pH, entonces como se sabe que el pH alcanzado está por debajo del rango deseable se busca aumentarlo hasta el mayor valor posible. Sin importar el material de la placa se obtienen que para maximizar el pH los valores óptimos de los factores controlables se presentan la Tabla 27. Tabla 27. Valores óptimos de los factores controlables para maximizar pH

Factor Nivel mínimo Nivel máximo Óptimo Voltaje (V) 10 20 20 Distancia entre placas (cm.) 0.7 1.5 0.7 Material Aluminio Hierro Aluminio Tiempo (min.) 5 10 10 Número de placas 2 6 6 Los valores óptimos predichos son 20V, tiempo 10 min. y número de placas seis (igual que se predijo anteriormente los tres factores en +), la distancia entre placas de 0.7cm (también se analizó) y aluminio como material del ánodo. Para éste último factor se selecciona electrodos de aluminio para obtener las condiciones óptimas de operación con un valor predicho de pH de 6.47188 +/- 0.41 frente a un valor predicho de pH de 6.33188 +/- 0.41 obtenido al realizar el análisis con electrodos de hierro, consiguiéndose una diferencia porcentual de 2.163%. De acuerdo a lo anterior la utilización de hierro como material de las placas puede significar una reducción considerable de los costos de capital si se tiene en cuenta que el hierro tiene un precio en el mercado de 0.3 $US/Kg. mientras el aluminio un precio de 1.8 $US/Kg [15]. Sin embargo el objetivo de este proyecto es hallar el óptimo operativo del proceso por lo tanto este tipo de consideraciones no se tendrán presentes. - Verificación de supuestos. Para un pH óptimo de 6.47188 se observa en la Gráfica 16. que no se presenta variabilidad en la medida. Los residuales no siguen un patrón definido lo que muestra que no existió un error sistemático en el modelo o en la realización del experimento.

97

Gráfica 16. Verificación de supuestos para pH

Predicción

resi

dual

3.3 4.3 5.3 6.3 7.3-1

-0.6

-0.2

0.2

0.6

1

5.3.2 Anova de conductividad. La conductividad es la medida de la habilidad de una solución acuosa para conducir una corriente eléctrica, ésta habilidad depende de la concentración, movilidad y valencia de los iones presentes. [3] Los procesos de la industria textil requieren agua de alta calidad especialmente libre de tintes, detergentes y sólidos suspendidos. Un tratamiento de purificación de aguas residuales con fines de reuso debe tener un mejor desempeño que lo exigido para tratar aguas según lo exigido en la normatividad colombiana, por lo tanto si se considera tratar los efluentes industriales con fines de reuso la conductividad del agua residual luego del tratamiento idealmente debe ser tan baja como sea posible debido a que la calidad del agua es de gran importancia para los sucesos del proceso de teñido. Las impurezas insolubles y sales de metales pesados que causan en el agua una alta conductividad, pueden causar considerables problemas durante el teñido, entre ellos se encuentra la formación de compuestos escasamente solubles de sales con colores aniónicos, ocasionando problemas de dispersión, filtrado, desigualación en la coloración, entre otros. Además facilita la formación de complejos estables con las moléculas del colorante, causando cambios en la tonalidad y pérdida de brillantez. Por lo tanto, se desea minimizar la conductividad para disminuir la concentración de cationes multivalentes, especialmente iones de calcio, de magnesio y sales de hierro, evitando que puedan interferir con el proceso de teñido. [4]

- Análisis de varianza. La tabla de anova divide la variabilidad en Conductividad en distintos segmentos separados para cada uno de los efectos. Como se observa en la Tabla 28. cuatro de los efectos tienen valores de P-Value (significancia prefijada) inferiores a 0.05 indicando que los efectos de estos factores o

98

interacciones son significativos e influyen sobre la variable conductividad y que son significativamente diferentes de cero al 95,0% de nivel de confianza. El R2 obtenido del modelo es de 71.8221 %, que indica que el modelo explica el 71.8221% de la variabilidad de la conductividad. El R2 ajustado, el adecuado para la comparación de diferentes variables independientes, es 60.2947 %. Los experimentos realizados se ajustan a un modelo polinómico lineal con interacciones dobles en un 71.8221%, lo cual constituye un valor apropiado para realizar estimativos, porque se espera que las predicciones realizadas con él se encuentren relacionadas, al menos de forma aproximada con la realidad. El error estándar estimado es 0.0450617, este valor permite de manera aproximada establecer un intervalo de confianza para los resultados. Se encuentra que el voltaje es el efecto principal seguido del tiempo de retención, número de placas y la interacción entre el voltaje y el material de las placas. Todos los efectos tienen un efecto negativo, es decir, el máximo se alcanza cuando éstos tienen su menor valor (cuando los factores son categóricos equivale al primero que se ingresó al programa estadístico). Como lo deseado es minimizar la conductividad los valores de estos factores principales deben estar en sus máximos. Tabla 28. Anova para conductividad

Fuente Suma de

cuadrados Grados de

libertad Mean square F-Ratio P-ValueA: Voltaje 0.0303811 1 0.0303811 14.96 0.0009

B Distancia entre placas 0.00262812 1 0.00262812 1.29 0.2681 C: Material del ánodo 0.00702113 1 0.00702113 3.46 0.0770

D: Tiempo de retención 0.0236531 1 0.0236531 11.65 0.0026 E: Número de placas 0.0193061 1 0.0193061 9.51 0.0056

AC 0.0107311 1 0.0107311 5.28 0.0319 AD 0.00475313 1 0.00475313 2.34 0.1409 CD 0.00300312 1 0.00300312 1.48 0.2374 CE 0.00567113 1 0.00567113 2.79 0.1095

Blocks 0.00154013 1 0.00154013 0.76 0.3937 Total error 0.0426416 21 0.00203055 Total (corr.) 0.15133 31

99

Gráfica 17. Diagrama de Pareto estandarizado para Conductividad

Efecto Estandarizado0 1 2 3 4

BCDADCE

CAC

EDA +

-

- Coeficiente de Regresión. En la Tabla 29. se encuentran los coeficientes de regresión para el modelo estadístico aproximado de conductividad. Tabla 29. Coeficientes estimados de regresión del modelo matemático de conductividad.

Coeficiente Estimado Constante 2.32733 A: Voltaje (V) -0.013475 B: Distancia entre placas (cm) 0.0226562 C: Material del ánodo 0.0988125 D: Tiempo de retención (min.) -0.0255 E: Número de placas -0.0245625 AC -0.0036625 AD 0.000975 CD -0.003875 CE -0.0133125 La ecuación que describe este modelo se presenta a continuación. Ésta ecuación, que representa la superficie que modela el experimento realizado, se utiliza para determinar el óptimo o cualquier otro valor sin necesidad de realizar los experimentos en estos puntos, aunque luego se realizará una corrida confirmatoria en estos puntos para verificar que lo predicho coincide con la realidad.

100

Conductividad = 2,32733 - 0,013475 A + 0,0226562 B + 0,0988125 C - 0,0255 D - 0,0245625 E - 0,0036625 AC + 0,000975 AD - 0,003875 CD - 0,0133125 CE

Los valores de las variables en la ecuación anterior son especificados en sus unidades originales, excepto los factores categóricos donde cada categoría toma los valores -1 para el nivel bajo y +1 para el nivel alto... Véase Tabla 20... A continuación se presentan los coeficientes de regresión para el modelo de conductividad. - Análisis gráfico de datos. A continuación se analizan las gráficas de los efectos principales e interacciones binarias según su prioridad en el diagrama de pareto estandarizado para la variable respuesta conductividad. De las Gráficas 18., 19. y 20. se encuentra que para minimizar la conductividad el voltaje a usar es 20V, el tiempo de retención 10 minutos y el número de placas seis. Gráfica 18. Efecto A para conductividad

Con

duct

ivid

ad (m

S/c

m)

Voltaje (V)10,0 20,0

2,09938

2,037752,03

2,05

2,07

2,09

2,11

2,13

2,15

101

Gráfica 19. Efecto D para conductividad

Con

duct

ivid

ad (m

S/c

m)

Tiempo de retención (min)5,0 10,0

2,09575

2,041382,04

2,05

2,06

2,07

2,08

2,09

2,1

Gráfica 20. Efecto E para conductividad

Con

duct

ivid

ad (m

S/c

m)

Numero de placas2 6

2,09313

2,0442,04

2,05

2,06

2,07

2,08

2,09

2,1

De la Gráfica 21. se observa que para 20V el efecto del material del electrodo es menos significativo sobre la conductividad que para 10V. Para minimizar la conductividad a un voltaje óptimo de 20V debe elegirse hierro ya que además de tener un costo inferior se obtienen valores de conductividad menores, mientras que para 10V es necesario emplear aluminio. Además se observa que el proceso es estable a las variaciones de voltaje al emplear placas de aluminio (la pendiente

102

de la recta es menor que para hierro) mientras que si emplea hierro a bajos valores de voltaje la conductividad es considerablemente mayor que al emplear aluminio, por lo tanto si se trabaja a valores bajos de voltaje debe emplearse aluminio.

El material del electrodo no tiene incidencia apreciable sobre la conductividad como se aprecia en la Gráfica 22., ya que los resultados al usar aluminio y hierro son muy similares y solo discrepan en un 2.963%. Considerando lo antes analizado y teniendo en cuenta que prima el efecto de interacción AC ante el efecto individual C, como se indica en el diagrama de pareto, por lo tanto el material óptimo local es Hierro para minimizar la conductividad. Gráfica 21. Interacción AC para conductividad

10

Aluminio

Hierro

Con

duct

ivida

d (m

S/cm

)

2.03

2.05

2.07

2.09

2.11

2.13

2.15

Voltaje (V) 20

AluminioHierro

Gráfica 22. Efecto C para conductividad

Con

duct

ivid

ad (m

S/c

m)

Material del anodoAluminio Hierro

2,05375

2,08338

2,05

2,06

2,07

2,08

2,09

103

Se observa en la Gráfica 23. que al emplear seis placas la incidencia del material de los electrodos no es significativa, mientras que al emplear dos placas es necesario emplear aluminio y aun así no se obtienen tan buenos resultados como al emplear seis placas con cualquiera de las dos categorías del material. El tratamiento óptimo local teniendo en cuenta que prima la interacción AC y que el efecto del material de los electrodos en este caso no es significativo, es hierro con seis placas. Se observa además que el proceso es muy sensible a cambios de material del electrodo al emplear dos placas mientras que al emplear seis placas el proceso es estable.

Gráfica 23. Interacción CE para conductividad

Aluminio

2 Placas

6 PlacasCon

duct

ivida

d (m

S/cm

)

2.04

2.06

2.08

2.1

2.12

2.14

Material de PlacasHierro

2 Placas

6 Placas

La interacción entre el voltaje y el tiempo es otro de los factores influyentes en la conductividad. En la Gráfica 24. se observa que al fijar el voltaje en un valor máximo conlleva a que el efecto del tiempo no sea significativo (la pendiente tiende a 0), sin embargo si se utiliza 10V para realizar la electrocoagulación (por limitaciones técnicas o económicas), es necesario tener tiempo de residencia cercano a 10 minutos (que igualmente es otro de los factores principales) para disminuir la conductividad del agua tratada.

104

Gráfica 24. Interacción AD para conductividad

10

5 min

10 min

Con

duct

ivida

d (m

S/cm

)

2

2.03

2.06

2.09

2.12

2.15

Voltaje (V)20.0

5 min

10 min

Según la Gráfica 25. la incidencia del material del ánodo sobre la conductividad es mayor para un tiempo de 5 min. que para el tiempo de 10 min. y el proceso es estable cuando se trabaja a 10 min. de tiempo de retención mientras que para 5 min. de tiempo de retención la incidencia del material es muy importante. El tratamiento ganador es 10 min. y aluminio.

Gráfica 25. Interacción CD para conductividad

Aluminio

5 min

10 minCon

duct

ivida

d (m

S/cm

)

2.03

2.05

2.07

2.09

2.11

2.13

Material de ánodohierro

5 min

10 min

105

En la Gráfica 26. se observa que para obtener la menor conductividad se debe utilizar una distancia entre placas de 0.7 cm. aunque cabe anotar que éste factor no es muy significativo sobre la conductividad. Gráfica 26. Efecto B para conductividad

0.7

2.0595

Con

duct

ivida

d (m

S/cm

)

2.05

2.055

2.06

2.065

2.07

2.075

2.08

Distancia entre placas (cm)1.5

2.07763

Según la Gráfica 27. el voltaje, el tiempo y el número de placas (los factores que influyen de forma determinante en la conductividad de acuerdo con el diseño de experimentos) deberán estar en sus valores (+) para minimizar la conductividad. Gráfica 27. Diagrama de efectos principales para conductividad

B D

Con

duct

ivida

d (m

S/cm

)

2.03

2.05

2.07

2.09

2.11

A C E

106

El diagrama de interacciones estadísticamente significativas para la variable respuesta conductividad se presenta en la Gráfica 28. Gráfica 28. Interacciones principales para la conductividad

-

+

AD

+

+

CD

-

-

+

Con

duct

ivida

d (m

S/cm

)

2

2.03

2.06

2.09

2.12

2.15

AC

-+

-

-+

+

CE

-

-

+

- Optimización local. El objetivo de la optimización local a continuación es lograr la conductividad del efluente sea mínima. La combinación de los niveles de los factores que minimizan la conductividad se presentan en la Tabla 30. Tabla 30. Valores óptimos de los factores para conductividad.

Factor Nivel mínimo Nivel máximo Óptimo Voltaje 10 20 20

Distancia entre placas (cm.) 0,7 1,5 0,7 Material del ánodo Aluminio Hierro Hierro

Tiempo de retención (min.) 5,0 10,0 10,0 Número de placas 2 6 6

El valor óptimo de conductividad dentro de la región experimental es 1,96263 +/- 0.045 mS/cm. El valor óptimo predicho se encuentra para los niveles de los factores voltaje 20, tiempo 10 y número de placas seis (igual que se predijo anteriormente los 3 factores en +), el material usado debe ser hierro (1) y la distancia entre placas de 0.7 cm para obtener la conductividad mínima. Este tratamiento propuesto no se realizó durante el diseño de experimentos por que el diseño empleado es un 2k-p y algunos de los extremos no se incluyen en los tratamientos.

107

La conductividad es un parámetro difícil de controlar en condiciones de trabajo reales ya que su valor depende de depende de la concentración, movilidad y valencia de los iones presentes. [3] es decir depende de las sales, ácidos y bases que se empleen en los diferentes lavados y enjuagues. Además para lograr remociones de conductividad en un efluente se requiere de tratamientos complejos como la electrocoagulación o la osmosis inversa comparado con la adición química requerida para lograr una variación en el pH o con los procesos de filtración y sedimentación empleados para disminuir la turbiedad en el agua. - Verificación de supuestos. Para una conductividad mínima de 1.96263 mS/cm se observa en la Gráfica 29. que los residuales no siguen un patrón definido por lo tanto no existió un error sistemático en el modelo o en la realización del experimento. Gráfica 29. Verificación de supuestos para conductividad

Predicción1.9 2 2.1 2.2 2.3

-0.09

-0.06

-0.03

0

0.03

0.06

0.09

resi

dual

5.3.3 Anova de turbiedad. La claridad del agua es importante para productos destinados para consumo humano y en muchas operaciones de manufactura. La turbiedad es la expresión de la propiedad óptica que causa que los rayos de luz sean dispersados y absorbidos en lugar de ser transmitidos sin cambio de dirección a través de la muestra, en el agua es causada por material coloidal y suspendido como materia inorgánica e inorgánica finamente dividida, lodos y microorganismos entre otros. Correlacionar la turbiedad con el tamaño y con la concentración de las partículas de material suspendido es difícil debido a que el tamaño, forma y el índice de refracción de las mismas afecta las propiedades de dispersión de la luz en la suspensión. [3]

108

La turbidez, es un componente estético de la calidad del agua y bajos niveles de color y turbidez son importantes para muchas industrias, entre ellas la industria textil, donde las aguas normalmente tratadas tienen valores de turbidez por debajo de 1NTU. [4] La turbidez tiene una gran importancia sanitaria, ya que refleja una aproximación del contenido de materias coloidales, minerales u orgánicas, por lo que puede ser indicio de contaminación. La turbidez del agua se genera por la presencia de partículas en suspensión. La velocidad de sedimentación de las partículas pequeñas (menores al micrón de diámetro) es muy baja, por lo que requieren tratamiento para lograrla en tiempos útiles. [7] Como se mencionó anteriormente el agua requerida en los procesos de la industria textil debe tener características similares a la de agua potable [5, 65] y los vertimientos deben cumplir con la normatividad vigente en cada país, y por lo tanto según el Decreto 475 de 1998 para agua potable y para descarga efluentes de la turbiedad debe tener una valor máximo a 5 NTU y no hay un rango legislado en el Decreto 1594 de 1984. - Análisis de Varianza. En la Tabla 31. se divide la variabilidad en turbiedad en distintos segmentos separados para cada uno de los efectos. Para este caso, ocho de los efectos tienen valores de P-Value (significancia prefijada) menores que 0.05 que indican que el efecto del factor o de la interacción es significativo y tiene importancia sobre la turbiedad. El R2 obtenido es 87.9336%, e indica que este modelo se ajusta y explica el 87.9336% de la variabilidad de turbiedad. El R2 ajustado se usa cuando hay varios términos en el modelo (porque en estos casos R2 se incrementa artificialmente), y es 83.7366% lo cual muestra que el modelo simula de forma muy apropiada el comportamiento de los datos. El error estándar de estimación es 34.8054. En la Gráfica 30. se presenta el diagrama de pareto estandarizado para turbiedad, allí se observa que los factores significativos en el caso de la turbiedad son: voltaje, número de placas, tiempo de retención, distancia entre placas y material (todos los factores fueron significativos en este caso). Las interacciones dobles importantes son la interacción del material - número de placas, voltaje – tiempo de retención y voltaje - distancia entre placas.

109

Tabla 31. Anova para la turbiedad.

Fuente Suma de

Cuadrados

Grados de

LibertadMean Square F-Ratio P-Value

A: Voltaje 50721.1 1 50721.1 41.87 0.0000B: Distancia entre placas

18145.1 1 18145.1 14.98 0.0008

C: Material del ánodo 13944.5 1 13944.5 11.51 0.0026D: Tiempo de retención 33930.1 1 33930.1 28.01 0.0000E: Número de placas 56832,8 1 56832,8 65,39 0,0000AB 5886.13 1 5886.13 4.86 0.0383AD 9180.13 1 9180.13 7.58 0.0116CE 12246.1 1 12246.1 10.11 0.0043Bloques 3042.0 1 3042.0 2.51 0.1273Total error 26651.1 22 1211.41 Total (corr.) 220871. 31 Gráfica 30. Diagrama de pareto estandarizado para turbiedad

Efecto Estandarizado0 2 4 6 8

ABADCE

CBDEA +

-

- Coeficiente de Regresión. Los coeficientes de regresión para el modelo de Turbiedad se presentan en la Tabla 32.

110

Tabla 32. Coeficientes estimados de regresión del modelo matemático de turbiedad.

Coeficiente Estimado Constante 354.5 A: Voltaje (V) -10.6656 B: Distancia entre placas (cm) 161.25 C: Material del ánodo 20.875 D: Tiempo de retención (min.) -33.35 E: Número de placas 38.375 AB -6.78125 AD 1.355 CE 19.5625 La ecuación que describe el modelo estadístico aproximado es: Turbiedad = 354.5 - 10.6656 A + 161.25 B + 20.875 C - 33.35 D + 38.375 E -

6.78125 AB + 1.355 AD + 19.5625 CE Los valores de las variables del modelo son especificadas en sus unidades originales, excepto para los factores categóricos que toman el valor de -1 para el nivel bajo y de +1 para el nivel alto...Véase Tabla 20... Está ecuación representa la superficie que modela el experimento realizado, y se usa para determinar el óptimo y demás valores que sean necesarios sin necesidad de realizar los experimentos en estos puntos, aunque luego se debe hacer una corrida confirmatoria en estos puntos para verificar que lo predicho coincide con la realidad. - Análisis gráfico de datos. A continuación se presentan las gráficas y el análisis de los efectos e interacciones binarias estadísticamente significativas de la variable respuesta turbiedad. De las Gráficas 31. a 35 de los efectos individuales principales A, E, D, B y C se observa que para minimizar la turbiedad se debe usar 20V, dos placas con ánodo de aluminio separados 0.7 cm. y un tiempo recomendado de 10 min.

111

Gráfica 31. Efecto de A para la turbiedad

10.0

202.125

Turb

idez

(NTU

)

120

140

160

180

200

220

Voltaje (V)20.0

122.5

Gráfica 32. Efecto E para la turbiedad

2123.938

Turb

idez

(NTU

)

120

140

160

180

200

220

Número de Placas6

200.688

Gráfica 33. Efecto D para turbiedad

5.0

194.875

Turb

idez

(NTU

)

120

140

160

180

200

Tiempo (min)10.0

129.75

112

Gráfica 34. Efecto B para turbiedad

0.7

138.5Turb

idez

(NTU

)

130

140

150

160

170

180

190

Distancia entre Placas (cm) 1.5

186.125

Gráfica 35. Efecto C para turbiedad

Aluminio141.438

Turb

idez

(NTU

)

140

150

160

170

180

190

Material de PlacasHierro

183.188

Gráfica 36. Interacción CE para turbiedad

Aluminio2 Placas

6 Placas

Turb

idez

(NTU

)

120

150

180

210

240

270

Material del ánodoHierro

2 Placas

6 Placas

113

La interacción de material con número de placas, que se ilustra en la Gráfica 36., muestra que el material del ánodo solo es determinante en el caso de utilizar seis placas, aunque si se emplean dos placas se puede optar por el material de menor costo (contrario a lo que ocurrió con pH por lo tanto en la optimización multirespuesta la elección del material es un factor crucial, sin embargo el aluminio en los casos anteriores constituía una buena opción porque su efecto no era significativo). Teniendo en cuenta la Gráfica 36. el aluminio y dos placas es la opción adecuada. Si se requiere un proceso muy estable emplear dos placas para mantener la turbiedad en un valor fijo sin importar los cambios que sufra el material de los electrodos. La interacción voltaje-tiempo en la Gráfica 37. muestra que es necesario para minimizar la turbiedad mantener el voltaje en 20V o el tiempo en 10 min., con uno de los dos factores en éstos niveles la turbiedad alcanza valores cercanos a 140 NTU, mientras el valor óptimo se obtiene al combinar ambos factores (es importante saber que con solo tener uno de ellos alto puede "suplir" al otro en sus funciones sin embargo tenerlos en sus valores mínimos no es nada recomendable). Gráfica 37. Interacción AD para turbiedad

Turb

idez

(NTU

)

Voltaje (V)10,0 20,0

5,0 min

5,0 min10,0 min

10,0 min100

130

160

190

220

250

280

La Gráfica 38. ilustra la interacción voltaje-distancia entre placas y muestra que un voltaje cercano a 20V minimiza la turbiedad, y la distancia entre placas se debe mantener mínima para evitar que variaciones en el voltaje alteren de manera significativa la turbiedad.

114

Gráfica 38. Interacción AB para turbiedad

10.0

0.7 cm

1.5 cmTu

rbid

ez (N

TU)

110

140

170

200

230

260

Voltaje (V)20.0

0.7 cm1.5 cm

- Optimización local. El valor óptimo local de turbiedad que puede alcanzarse es 56.9375 NTU. La Tabla 33. presenta la combinación de los niveles de los factores que minimizan la turbiedad. Tabla 33. Valores óptimos de los factores controlables para maximizar pH

Factor Nivel mínimo Nivel máximo Óptimo Voltaje (V) 10,0 20,0 20,0 Distancia entre placas (cm.) 0,7 1,5 0,7 Material del ánodo Aluminio Hierro Aluminio Tiempo de retención (min.) 5,0 10,0 10,0 Número de placas 2 6 2 - Verificación de supuestos. Para la predicción de turbiedad de 56.9375 NTU se presenta una variabilidad de 6.1 y -6.1. Los residuales no siguen un patrón definido como se observa en la Gráfica 39. lo que comprueba que no existió un error sistemático en el modelo o en la realización del experimento.

115

Gráfica 39. Verificación de supuestos para turbiedad

Predicción0 100 200 300 400 500

-80

-40

0

40

80

resi

dual

5.4 OPTIMIZACIÓN MULTIRESPUESTA 5.4.1 Región experimental. Durante la experimentación los valores de conductividad oscilan en un rango muy estrecho (debido a las unidades), mientras que la turbiedad oscila entre valores más amplios. En la Tabla 34. se presentan los valores entre los cuales oscilan las variables respuesta. Tabla 34. Rango de las variables respuesta.

Variable de respuesta Mínimo observado Máximo observado Conductividad (mS/cm.) 1.986 2.27

Ph 3.32 6.79 Turbiedad (NTU) 52.0 457.0

5.4.2 Óptimos individuales. Los resultados de los valores óptimos locales para cada una de las variables respuestas se resumen en la Tabla 35. y los niveles óptimos de los factores controlables en cada uno de los análisis individuales (locales) se presentan en la Tabla 36.

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Tabla 35. Predicciones de los valores óptimos individuales de las variables respuesta

Variable respuesta Unidades Predicción Conductividad mS/cm 1.96263

pH Unidades de pH 6.47188 Turbiedad NTU 56.9375

Tabla 36. Factores para cada uno de los óptimos individuales

Factor Óptimo de conductividad Óptimo de pH Óptimo de

turbiedad Voltaje (V) 20 20 20 Distancia entre placas (cm.) 0.7 0.7 0.7 Material Hierro Aluminio Aluminio Tiempo (min.) 10 10 10 Número de placas 6 6 2 5.4.3 Análisis previo a la optimización múltiple. Para llevar a cabo la optimización múltiple es necesario tener en cuenta que la solución óptima es una solución compromiso donde todas las respuestas cumplan de la mejor manera posible con las especificaciones operativas deseadas. Además se debe tener en cuenta que la importancia de los factores varía según la aplicación y por lo tanto no es apropiado realizar una optimización con los tres modelos únicamente, sino que es necesario darles un impacto a cada uno de ellos para conseguir el objetivo buscado. Las variables respuesta más críticas en este caso son la conductividad y la turbiedad, que presentan una semejanza en los niveles óptimos de los factores a emplear en el proceso de electrocoagulación con excepción del material y el número de placas. Entre dichos factores se presenta un antagonismo, por lo tanto hay que decidir cual variable es más importante optimizar (lo que depende de la aplicación y la necesidad de cada usuario). Entonces el número óptimo de placas debe seleccionarse teniendo en cuenta que si optimizar la conductividad es igual de importante que optimizar la turbiedad es posible que se requieran cuatro placas. En el método de optimización mediante la maximización de la función de deseabilidad (método a aplicar), el impacto permite balancear la importancia relativa de las respuestas, es decir, que tan importante es la variable respuesta comparada con las demás. Mientras que los pesos se eligen con la deseabilidad individual (deseabilidad del intervalo), esto es importante para que la variable de respuesta alcance el valor objetivo o valores cercanos.

117

5.4.4 Optimización múltiple. Para realizar la optimización múltiple se debe determinar que variables son críticas en el proceso y cuantificar dicha importancia mediante el peso y el impacto. Los valores seleccionados para el peso y el impacto de las variables de respuesta se presentan en la Tabla 37. y se seleccionaron según la facilidad técnica de modificarlas, es decir el pH es una variable que se puede manipular de manera menos costosa por adición química y es menos crítica en los procesos textiles mientras que para modificar la turbiedad y la conductividad es necesario diluir o emplear otros métodos complejos. Tabla 37. Peso e impacto de las variables respuesta.

Variable de respuesta Peso Impacto Conductividad 1 1

pH 0.1 1 Turbiedad 1 5

Los valores óptimos operativos de los factores controlables según el peso y el impacto de las variables respuesta son los presentados en la Tabla 38. Tabla 38. Valores óptimos de los factores controlables.

Factor Nivel mínimo Nivel máximo Óptimo Voltaje (V) 10 20 20 Distancia entre placas (cm.) 0.7 1.5 0.7 Material Aluminio Hierro Aluminio Tiempo (min.) 5 10 10 Número de placas 2 6 2 Se debe tener en cuenta que para obtener una rata de operación de disolución del metal óptima se requiere el uso de electrodos con la mayor área superficial posible [66] según lo anterior debería escogerse seis placas y por el contrario el óptimo son dos placas, esto se debe a que se dio mayor importancia a la optimización de la turbiedad. De acuerdo con los valores óptimos de los factores se obtienen con una deseabilidad de 95.8242% las predicciones de la Tabla 39. Comparando los valores de la Tabla 39. respecto a los óptimos individuales se observa que la conductividad es 3.8% mayor que los resultados individuales obtenidos, el pH es 10.7% menor respecto al valor reportado en la Tabla 35., y la turbiedad es igual a los resultados individuales porque equivale al mismo punto experimental

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Tabla 39. Predicción de las variables respuesta. Variable de respuesta Óptimo

Conductividad (mS/cm) 2.03813 pH 5.77813

Turbiedad (NTU) 56.9375 5.5 ANÁLISIS DE RESULTADOS 5.5.1 Ensayo de verificación. Para el primer ensayo de verificación se empleó una muestra de agua textil de varios procesos de lavado y teñido que se llevan a cabo en una lavandería industrial, y las características principales del efluente se presentan en la Tabla 40. Tabla 40. Características principales del ARI empleada en el ensayo de verificación.

Parámetro Valor pH 5

Conductividad 1.53 mS/cm Se observa que el efluente tiene baja conductividad y según lo encontrado en la literatura en un proceso de electrocoagulación un incremento en la conductividad generalmente causa incrementos de la densidad de corriente para el mismo voltaje de celda por esto se quiere que la conductividad del agua a tratar sea máxima [11] y de experiencias anteriores se encontró que para conductividades bajas el proceso de electrocoagulación no se llevó a cabo de forma exitosa ...Véase numeral 6.5.2... Para lograr valores de conductividad similares o mayores al valor presentado en la Tabla 22. se adicionó a la muestra aproximadamente 3 mL de una solución de HNO3 al 65%, ésta solución es empleada en algunos procesos como regulador de pH de efluentes en la industria textil. Con ésta modificación se logra al mismo tiempo disminuir el pH del efluente, cabe recordar que los vertimientos provenientes de la industria textil tienden a ser muy variables en términos de volumen y composición [5] y por esto se requiere este tipo de ajustes en el ensayo de verificación para llevar a cabo el proceso de electrocoagulación y obtener así resultados cercanos a los esperados. En la Tabla 41. se resumen las características del efluentes industrial del ensayo de verificación luego de modificada la conductividad y el pH, y se especifican los métodos empleados para cada determinación [3] ...Véase Anexos A. y B. ... En el ensayo de verificación se incluyen otros parámetros de caracterización de aguas

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residuales diferentes a las variables respuestas estudiadas, con el fin de observar el efecto general del proceso de electrocoagulación sobre éstos. La conductividad del efluente modificado con la solución ácida, valor presentado en la Tabla 41., es un 49.8% mayor respecto al valor de la muestra de agua residual empleada en los experimentos anteriores, mientras el pH tiene un valor similar al presentado en la Tabla 22. Tabla 41. Caracterización del efluente modificado.

Análisis Método Unidades Resultado IncertidumbrepH SM-4500-B Unidades de pH 2.442 0.16 Alcalinidad Total SM-2320-B mg CaCO3/L Menos de 9.0 1.4 DBO5 SM-5210 mg O2/L 64.7 14.0 DQO SM-5220 mg O2/L 221 25 Detergentes SM-5540-C mg SAAM/L 1.38 0.14 Dureza total SM-3500 mg CaCO3/L 251.383 0.368 Turbiedad SM-2130-B NTU 53.0 2.8 Aluminio SM-3500-Al mg Al/L 1.195 0.272

Cobre SM-3500-Cu mg Cu/L Menos de 0.006 0.210

Cromo SM-3500-Cr mg Cr/L Menos de 0.070 0.126

Hierro SM-3500-Fe mg Fe/L 0.759 0.042 Manganeso SM-3500-Mn mg Mn/L 0.922 0.068 Conductividad SM- 2510-B mS/cm 3.79 - Luego de tratar el efluente modificado de la misma manera que se llevaron los experimentos anteriores y aplicando los niveles de los factores de la Tabla 38., se obtuvo un efluente cuya caracterización se presenta en la Tabla 42. Los análisis reportados en las Tablas 41. y 42. se llevaron a cabo en el laboratorio acreditado por el IDEAM del Grupo de Investigaciones Ambientales de la UPB. Al agua tratada se le adicionó luego de efectuar las medidas de pH y conductividad 1 ml de HNO3 al 65% hasta alcanzar un pH de 2.592 para preservar los metales para su posterior análisis.

120

Tabla 42. Características del agua tratada en el ensayo de verificación. Análisis Método Unidades Resultado Incertidumbre

pH SM-4500-B Unidades de pH 3.668 0.16 Alcalinidad Total SM-2320-B mg CaCO3/L Menos de 9.0 1.4 DBO5 SM-5210 mg O2/L 19.6 5.0 DQO SM-5220 mg O2/L 134.0 20.4 Detergentes SM-5540-C mg SAAM/L 0.41 0.04 Dureza total SM-3500 mg CaCO3/L 195.471 0.368 Turbiedad SM-2130-B NTU 4.0 0.3 Aluminio SM-3500-Al mg Al/L 7.000 0.272 Cobre SM-3500-Cu mg Cu/L 0.06 0.210 Cromo SM-3500-Cr mg Cr/L 4.126 0.126 Hierro SM-3500-Fe mg Fe/L 10.600 0.042 Manganeso SM-3500-Mn mg Mn/L 1.021 0.068 Conductividad SM- 2510-B mS/cm 3.04 - La remoción de color es una de las variable más importantes para el reuso y la reutilización del agua en la industria textil ya que es un componente estético de la calidad del agua y bajos niveles de color son importantes en la industria textil donde la remoción de color se alcanza normalmente por los procesos de coagulación, floculacion, sedimentación (o flotación) y filtración. Las fuentes de color en el agua pueden incluir iones metálicos naturales como hierro y manganeso y materiales de turbidez. [4] Cualitativamente se observa durante el proceso de verificación una excelente remoción de color después del tratamiento, durante la experimentación los electrodos de aluminio causan un cambio del color de las aguas de azul a verde y por último se observa una ligera tonalidad amarilla que es provocada por el aumento del contenido de hierro y manganeso y a residuos de tintes. En la Foto 2. se observa la coloración de las aguas residuales antes del proceso de electrocoagulación y después del proceso de electrocoagulación, a simple vista se observa que hubo un gran porcentaje del color azul debido a la electrocoagulación.

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Foto 2. Comparativo de remoción de color entre el agua sin tratar y tratada

Fuente: tomada por Maria Catalina Bermúdez. Medellín. 2006. Como ensayo preliminar para investigaciones siguientes se adiciona carbón activado a 100 ml de muestra tratada con el fin de remover el color. En la Foto 3. se observan el agua sometida al tratamiento de electrocoagulación que corresponde a la muestra 1 (la izquierda de la imagen) y a la derecha de la imagen se observa la muestra 2 a la cuál posteriormente se le adiciona carbón activado desapareciendo en su totalidad cualquier tonalidad amarilla visible. Foto 3. Comparativo de aguas tratadas.

Fuente: Tomada por Maria Catalina Bermúdez. Medellín. 2006.

1 2

1 2

122

Durante el proceso de electrocoagulación se generan dos tipos de lodos que corresponden a una suspensión de partículas finas en el fondo del reactor y a una formación de lodos espumosos en la parte superior del reactor tal como se observa en la Foto 4. Estos lodos por sus características son difíciles de remover y pueden representar un inconveniente tanto para vertimiento al ambiente como para su tratamiento, pueden requerir un coagulante como ayudante para el espesamiento y posterior separación. Foto 4. Lodos generados en el proceso de electrocoagulación de aguas residuales de la industria textil.

Fuente: tomada por Maria Catalina Bermúdez. Medellín. 2006. El tratamiento de aguas residuales requiere de bajos voltajes con un amperaje variable según las características de las aguas ya que si se trabaja a altos voltajes se produce una pérdida de energía por calentamiento del agua, durante los experimentos y el ensayo de verificación no se registraron aumentos de temperatura mayores a 2°C por lo tanto el nivel de voltaje empleado es el adecuado. En la Tabla 43. se observan los porcentajes de remoción alcanzados en el ensayo de verificación de todos los parámetros reportados en las Tablas 41. y 42. y se

123

lleva a cabo un comparativo con la normatividad ambiental colombiana vigente para agua potable y de vertimientos. Los porcentajes de remoción negativos indican que el valor del parámetro en el efluente sin tratar incrementa después del proceso de electrocoagulación. Tabla 43. Porcentajes de remoción de los diferentes parámetros obtenidos en el ensayo de verificación.

Análisis Unidades % Remoción Valor límite

según Decreto 1594 de 1984

Valor límite según

Decreto 475 de 1998

pH Unidades de pH -50.2 5 a 9 6.5 a 9 Alcalinidad Total mg CaCO3/L - No legislado 100

DBO5 mg O2/L 69.7 >80% remoción

No legislado

DQO mg O2/L 39.4 No legislado No legislado Detergentes mg SAAM/L 70.3 No legislado 0.5 Dureza total mg CaCO3/L 22.2 No legislado 160 Turbiedad NTU 92.5 No legislado < 5 Aluminio mg Al/L -485.8 No legislado 0.2 Cobre mg Cu/L -900.0 3 1.0 Cromo mg Cr/L -5794.3 0.5 0.01 Hierro mg Fe/L -1296.6 No legislado 0.3 Manganeso mg Mn/L -10.7 No legislado 0.1 Conductividad mS/cm 19.8 No legislado 0.05 - 1 En la Tabla 43. no se presenta el porcentaje de remoción de la alcalinidad total debido a que con el método de determinación empleado la concentración del agua antes y después del tratamiento era inferior al límite de detección como se observa en las Tablas 41. y 42. ambos valores cumplen con la normatividad ambiental pero debe considerarse que fueron alterados debido a la adición de la solución de ácido nítrico que disminuyó la capacidad de neutralización ácida de la muestra por lo tanto éstos valores no corresponden a la realidad y no se puede sacar conclusiones acertadas. Como se observa en la Tabla 43. se logra un 69.7% de remoción de DBO5, un 39.4% de DQO y un 70.3% de detergentes. Al finalizar el tratamiento el efluente cumple con el límite normativo de detergentes para agua potable por lo tanto si se requiere una mayor remoción el tratamiento adicional tendría un menor costo. No se alcanza un 80% de remoción de DBO5 exigido para descarga de efluentes industriales y aunque un 69.7% de remoción es un valor cercano debe emplearse otro tratamiento adicional si se requiere cumplir con lo exigido, mientras que para

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DQO no hay límites legislados en Colombia. Se alcanza además una remoción del 22.2% de dureza total. La dureza del agua es la capacidad para precipitar el jabón. Los componente principales de la dureza son el calcio y el magnesio aunque los iones de otros metales polivalentes polivalentes como aluminio, hierro, manganeso, estroncio y cinc. La dureza se expresa como una cantidad equivalente de CaCO3, donde las agua que tienen menos de 75 ppm de CaCO3 se consideran generalmente blandas, las que tienen entre 75 y 150 moderadamente duras, entre 150 y 300 duras y más de 300 ppm muy duras. [4] De los valores reportados en las Tablas 41. y 42. se encuentra que las aguas antes y después de la electrocoagulación son duras. El porcentaje de remoción de Cobre y Cromo en la Tabla 43. se calcula empleando los valores límites de detección que se presentan en la Tabla 41. La concentración de Cromo hexavalente aumenta 4.126 mg/L, mientras el Cobre aumenta 0.054 mg/L después del proceso de electrocoagulación lo que ocasiona que éstos parámetros rebasen los valores límites de la normatividad. Adicionalmente la concentración de hierro aumenta 10.599 mg/L, de aluminio 5.805 mg/L y la concentración de manganeso 1.02 mg/L en la muestra. El aumento en la concentración de metales en la muestra que ocasiona una coloración amarilla clara en el agua tratada se debe al desgaste de las placas ocasionado por su utilización en los experimentos anteriores que ocasionó una oxidación del aluminio y al proceso de lijado de las mismas que se realizó para su recuperación antes de llevarse a cabo el proceso. Si se pretende reutilizar parte del agua tratada debe eliminarse los metales ya que los óxidos de hierro pueden deteriorar las prendas además en lavanderías pueden ocurrir manchas si las aguas contienen hierro, manganeso o cobre en solución. El manganeso, presente frecuentemente con el hierro en las aguas subterráneas, puede causar problemas similares de manchado produciendo un precipitado rojo o con el uso de blanqueadores un marrón oscuro o precipitado con manchas negras El exceso de cobre en el agua puede crear manchas azules mientras el hierro en aguas bajas en oxígeno y bicarbonato bombeadas desde un pozo precipita hidróxido férrico rojizo marrón. [4] Para disminuir el aumento de la concentración de metales se recomienda aumentar el pH del efluente a tratar (si es necesario) para disminuir la solubilidad de los metales en el agua ó eliminar dichos metales mediante otros tratamientos como precipitación química, intercambio iónico, entre otros [72]. El anterior análisis se realiza para incentivar futuros proyectos para estudiar la influencia del proceso de electrocoagulación sobre la concentración de metales, alcalinidad total, detergentes, dureza total, DBO5 y DQO, para lo cual debe planearse un diseño de experimentos similar al que se plantea en este proyecto de grado. La Tabla 44. contiene los porcentajes de remoción óptimos de las variables respuestas calculados a partir de los parámetros para agua sin tratar de la Tabla

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22. y los valores predichos en la Tabla 39. La Tabla 44. se presenta con el fin de hacer comparaciones en cuanto a porcentajes de remoción y no a valores puntuales de las variables, debido a que las condiciones iniciales del sistema (la caracterización del agua residual) son diferentes en el ensayo de verificación y en la fase experimental, por lo tanto las respuestas deben diferir en valor mas no en un resultados global. Tabla 44. Predicción de porcentajes de remoción óptimos.

Variable respuesta Valor inicial Valor óptimo % Remoción Conductividad (mS/cm) 2.53 2.03813 19.44

pH 2.82 5.77813 -104.90 Turbiedad (NTU) 248 56.9375 77.04

Después del proceso de electrocoagulación el pH del efluente aumentó un 50.2% respecto al valor registrado antes del tratamiento, sin embargo no se logró alcanzar el incremento óptimo de pH de 104.9% ni el rango esperado de pH entre 5 y 9, esto puede deberse al desgaste de las placas, a la adición de la solución ácida a la muestra y a varios procesos que ocurren en la electrocoagulación que causan un efecto buffer en el medio liquido [15]. Se alcanzó un 92.58% de remoción de turbiedad en el ensayo de verificación siendo este valor mayor al porcentaje de remoción óptimo esperado de la Tabla 44. Se observa que la turbiedad del efluente empleado era inferior al valor presentado en la Tabla 22. La turbiedad es la variable que mayor porcentaje de remoción alcanza puesto que en el diseño de experimentos se le dio un peso considerable y un impacto mayor frente a las otras dos variables respuesta y debido a esto el número de placas óptimo es dos los que favorece la remoción de turbiedad. En términos de turbiedad el efluente tratado cumple con los parámetros de agua potable con un valor de 4NTU. Además se alcanzó una remoción de la conductividad de un 19.8% mejorando el valor esperado en la Tabla 44. La conductividad es la variable respuesta que alcanza menor porcentaje de remoción esto se debe al aumento en la concentración de metales en la muestra luego de la electrocoagulación y a que se empleo aluminio como material del ánodo el cual no es el material que más favorece su remoción. Con el ensayo de verificación se mejora lo predicho para la remoción de turbiedad y conductividad, y en cuanto a los valores predichos se alcanza una turbiedad de

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4NTU frente a un valor esperado de 56.9375 NTU, una conductividad de 3.04 mS/cm frente a una esperada de 2.03813 mS/cm mientras se alcanzó un pH de 3.668 frente a un valor esperado de 5.77813. No se cumplen los valores esperados debido a que las características iniciales del agua en el ensayo de verificación no son similares a las del la experimentación, sin embargo se alcanzaron los resultados esperados en términos generales. 5.5.2 Ensayo de óptimos con hierro. Adicionalmente se llevó a cabo un ensayo de verificación con todos los factores operando en su nivel óptimo excepto que se utilizan ánodos de hierro con el fin de verificar si éste tratamiento se acerca en su desempeño al óptimo operativo el cual acarrea menores costos ya que el hierro es un 83.33% más barato respecto al aluminio [15] y debido a que se obtienen resultados similares para pH con este material. La caracterización del agua residual empleada en este tratamiento se presenta en la Tabla 45. Tabla 45. Caracterización de agua residual de ensayo con placas de hierro.

Análisis Método Unidades Resultado IncertidumbrepH SM-4500-B Unidades de pH 9.882 - Alcalinidad Total SM-2320-B mg CaCO3/L 123.0 1.4 DBO5 SM-5210 mg O2/L 168.0 34.7 DQO SM-5220 mg O2/L 815 54 Detergentes SM-5540-C mg SAAM/L 4.45 0.44 Dureza total SM-3500 mg CaCO3/L 67.236 0.368 Turbiedad SM-2130-B NTU 151 8 Hierro SM-3500-Fe mg Fe/L 0.420 0.042 Manganeso SM-3500-Mn mg Mn/L 0.030 0.068 Conductividad SM-2510-B mS/cm. 0.607 -

En la Tabla 46. se presenta la caracterización del agua luego de ser tratada por electrocoagulación empleando todas las condiciones optimas de operación excepto que se utilizan ánodos de hierro. En la Tabla 47. se observan los porcentajes de remoción de todos los parámetros reportados en las Tablas 45. y 46. alcanzados en el ensayo de óptimos empleando ánodos de hierro. Los porcentajes de remoción negativos presentados indican que el valor del parámetro en el efluente sin tratar incrementa después del proceso de electrocoagulación.

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Tabla 46. Caracterización de agua tratada de ensayo de verificación empleando hierro.

Análisis Método Unidades Resultado IncertidumbrepH SM-4500-B Unidades de pH 9.032 - Alcalinidad Total SM-2320-B mg CaCO3/L 135.0 1.4 DBO5 SM-5210 mg O2/L 125.0 26.1 DQO SM-5220 mg O2/L 786 52 Detergentes SM-5540-C mg SAAM/L 4.18 0.42 Dureza total SM-3500 mg CaCO3/L 51.177 0.368 Turbiedad SM-2130-B NTU 165 8 Hierro SM-3500-Fe mg Fe/L 7.085 0.042 Manganeso SM-3500-Mn mg Mn/L 0.098 0.068 Conductividad SM-2510-B mS/cm. 0.584 -

Tabla 47. Porcentaje de remoción de parámetros en el ensayo de verificación empleando ánodos de hierro.

Análisis Unidades Agua sin Tratar Agua Tratada % Remoción

pH Unidades de pH 9.882 9.032 8.6 Alcalinidad Total mg CaCO3/L 123.0 135.0 -9.8 DBO5 mg O2/L 168.0 125.0 25.6 DQO mg O2/L 815 786 3.6 Detergentes mg SAAM/L 4.45 4.18 6.1 Dureza total mg CaCO3/L 67.236 51.177 23.9 Turbiedad NTU 151 165 -9.3 Hierro mg Fe/L 0.420 7.085 -1586.9 Manganeso mg Mn/L 0.030 0.098 -226.7 Conductividad mS/cm. 0.607 0.582 4.1 Debido a la baja conductividad no se tuvo éxito en el proceso de electrocoagulación y como se observa en la Tabla 47. se obtuvo bajos porcentajes de remoción de DQO, DBO5, detergentes y conductividad respecto a los resultados obtenidos en el ensayo de verificación. Contrario a los demás parámetros se logró una remoción de dureza total de 23.9% valor similar al obtenido en el ensayo de verificación. Se encontró que empleando hierro como material del ánodo también hay un incremento de la concentración de metales en la muestra luego del proceso de electrocoagulación. En este caso la concentración de hierro aumentó 7.085 mg/L frente a un aumento de 10.599 mg/L en el ensayo en el que se empleó aluminio, mientras el manganeso aumentó 0.068 mg/L frente a 1.02 mg/L, es decir empleando hierro el aumento en la concentración de estos metales es mayor que

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al emplear aluminio. Contrario a lo deseado en este ensayo se obtuvo un aumento en la turbidez del 9.3% esto debido a que el hierro no es el material que favorece su remoción, mientras que se obtuvo una remoción poco significativa de un 4.1% de conductividad. Se observa que hubo una disminución del pH esto se debe a que en el proceso de electrocoagulación el efluente tiende a neutralizarse y en este caso el pH inicial de la muestra era 9.886 alcanzando un pH 9.032 que de forma práctica es un valor en el rango esperado. El pobre desempeño de la electrocoagulación para remover significativamente las concentraciones de las variables respuestas se debe como ya se menciona antes a la baja conductividad del efluente. La remoción de color es una de las variable más importantes para el reuso y la reutilización del agua en la industria textil [1] y como se muestra en la Foto 5. el color del agua no cambió de forma apreciable por lo tanto no es óptima para reuso en muchos de los procesos de la industria textil que son exigentes en cuanto a calidad de agua se refiere. Foto 5. Agua tratada en ensayo de verificación empleando ánodos de hierro.

Fuente: Tomada por Maria Catalina Bermúdez. Medellín. 2006.

Durante el ensayo también hubo generación de lodos con las mismas características que los obtenidos en el ensayo de verificación, y se observó de forma cualitativa durante la experimentación que los ensayo en los cuales se logra mayor remoción de color hay mayor producción de espuma.

129

6 ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD TÉCNICO - ECONÓMICA

6.1 OPTIMIZACIÓN DEL CONSUMO DE AGUA MEDIANTE REUSO. Los procesos de la industria textil requieren agua de alta calidad especialmente libres de tintes, detergentes y sólidos suspendidos, sin embargo es difícil definir un estándar de calidad general para el reciclaje y reuso de agua de la industria textil debido a que los requerimientos de cada fibra son diferentes según el proceso y la calidad requeridas para la tela final. [4] Un tratamiento de purificación para reciclar y reusar agua debe tener un mejor desempeño que los tratamientos para descargas de acuerdo a los límites impuestos por la legislación. Para cumplir con la legislación en la industria textil usualmente se tratan los efluentes con tratamientos físico-químicos y lodos activados mientras que para tratar agua de reuso especialmente para teñido se requieren de otros tratamientos adicionales como los tratamientos de oxidación, entre ellos la electrocoagulación, son muy prometedores por que degradan los contaminantes. [1] A continuación se presentan el análisis de reuso de agua para la lavandería en cuestión con el fin de optimizar el consumo de agua. Figura 6. Diagrama de reuso de agua.

130

En la Figura 6. se observa el diagrama del proceso de reuso de agua que consiste de cuatro unidades: mezclador (M), proceso textil, divisor (D) y electrocoagulador (EC). En la unidad M se mezclan las aguas provenientes del acueducto (EPM), pozo y reuso que se emplearán para el proceso textil y como resultado se obtienen la corriente 1. cuyas conductividad no debe exceder 0.590 mS/cm [5] con el fin de evitar problemas en el proceso de teñido como ya se explicó anteriormente, y la concentración de metales no debe rebasar el límite impuesto por la legislación para vertimientos [63] ya que como se observa en la Tabla 41. el proceso textil llevado a cabo en la lavandería en cuestión no genera grandes aportes de metales y según lo planteado parte del efluente es vertido al ambiente sin tratamiento previo, además debido a las bajas concentraciones de metales exigida para vertimientos éstos límites también son aptos para llevar a cabo los procesos textiles. Luego del proceso textil el efluente industrial (corriente 2.) se divide en la corriente 3. y los vertimientos. La corriente 3. se dirige a la unidad de electrocoagulación (EC) para ser tratada para su posterior reuso y los vertimientos se desechan sin tratamiento previo. No se plantea un tratamiento de los vertimientos debido a que el objetivo principal del proyecto es el tratamiento del efluente con fines de reuso, por lo tanto solo debe tratarse la cantidad de agua máxima que pueda reusarse según los límites técnicos del proceso textil y según los límites de la legislación, además se tiene en cuenta que el tratamiento de electrocoagulación puede no ser viable económicamente comparado con otros tratamientos si se tiene en cuenta que la legislación de vertimientos colombiana no exige un tratamiento tan efectivo como si debe ser en el caso de reuso. La cantidad máxima de agua para reuso se calcula a partir de un promedio ponderado de las características del agua de la corriente de entrada al proceso textil, teniendo en cuenta los límites técnicos y la concentración de metales y conductividad que exige la legislación de vertimientos en el Decreto 1594 de 1984. A continuación se presentan los balances a partir de los cuales se calculó el caudal máximo de reuso.

)8(11 REUSOREUSOPOZOPOZOEPMEPM QCQCQCQC ⋅+⋅+⋅=⋅

)9(1 REUSOPOZOEPM QQQQ ++=

131

)10(9.0 12 QQ ⋅=

)11(32 QQQ osVertimient +=

)12(1.13 ⋅= REUSOQQ Donde: Q1: caudal promedio de agua fresca empleado en la lavandería en cuestión.

(L/min) Q2: caudal de efluente textil. (L/min) Q3: caudal de efluente a tratar. (L/min) Qreuso: caudal de efluente tratado por electrocoagulación para reuso. (L/min) QEPM: caudal de agua de EPM empleado para los procesos textiles. (L/min) QPOZO: caudal de agua de pozo empleado para los procesos textiles. (L/min) Se asume que debido a la generación de lodos y espumas el caudal de reuso es un 10% menor que el caudal de entrada al proceso de electrocoagulación. Además se considera según datos de la lavandería en cuestión que las pérdidas de agua por evaporación y humedad de las prendas en el proceso textil es de un 10%. El porcentaje de reuso se calcula como se muestra a continuación.

)13(100Re%1

⋅=Q

Quso reuso

Donde: %Reuso: porcentaje de reuso de agua tratada.

132

Los balances anteriores se llevan acabo tomando como base de cálculo el caudal promedio de agua fresca empleado en la lavandería en cuestión (Q1) equivalente a 69.44 L/min. El análisis se realiza para la conductividad que es un factor crítico en el proceso textil y de forma análoga puede realizarse para la concentración de cobre y cromo (o cualquier otra variable) que son dos variables importantes en este caso debido a que la legislación presenta exigencias en la concentración del efluente para su vertimiento por lo tanto se debe tener en cuenta éstas concentraciones y se debe calcular el porcentaje de reuso máximo para cada variable y el menor de los porcentajes de reuso en cada caso es el valor que satisface las necesidades generales del proceso. No se llevaran a cabo los análisis para cobre y cromo debido a que no se llevó a cabo un análisis en el diseño de experimentos y por lo tanto no se pueden sacar conclusiones confiables acerca del efecto del proceso de electrocoagulación sobre esta variable respuesta. Los análisis no se realizan para las variables respuesta turbidez y pH debido a que no es correcto ponderar la concentración de una mezcla de aguas para calcular estas variables debido a que el pH es una concentración en escala logarítmica y la turbidez es una propiedad óptica que no se puede interpolar. A continuación se calcula la conductividad y los flujos de las diferentes corrientes del diagrama de la Figura 6. luego de realizados los balances considerando que el caudal de agua de pozo es cero. Se evalúa este caso en particular debido a que es el que representa mayores costos de agua fresca y por lo tanto cualquier otro caso (empleando agua de pozo o una combinación de agua de pozo y agua de acueducto) implica costos menores de agua fresca. En la Tabla 48. se presentan los resultados hallados de los balance de conductividad considerando que el límite máximo de conductividad requerido en los procesos textiles es 0.59 mS/cm [5] mientras la legislación no exige un valor límite [63]. Además se considera según lo obtenido experimentalmente de la Tabla 41. comparando con las características de agua de EPM ...Véase ANEXO E ... que el proceso textil aporta al agua una conductividad de 3.71 mS/cm por lo tanto el efluente textil tiene conductividad máxima de 4.3 mS/cm. Tabla 48. Balances de conductividad para el caso 2.

Corriente Flujo (L/min) Conductividad (mS/cm) Agua EPM 58.928 0.08 Agua de pozo 0 2.40 Agua para reuso 10.512 3.449 Corriente 1 69.44 0.59 Corriente 2 62.496 4.3 Corriente 3 11.563 4.3 Vertimientos 50.933 4.3

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El porcentaje de reuso máximo para el caso 2. es 15.1%. Figura 7. Diagrama de reuso de agua para conductividad.

De la forma anterior se realiza el análisis para cualquier otra variable y pueden modificarse los límites técnicos y legislativos según el caso. Adicionalmente es interesante evaluar además el caso en el que se considera que el caudal de agua de EPM cero de forma simultanea al caso anterior ya que los costos y los porcentajes de reuso al utilizar cualquier proporción de aguas de EPM y pozo deben encontrarse entre los costos y entre los porcentajes de reuso estimados para ambos casos. El agua de pozo de la lavandería en cuestión la conductividad es de 2.4 mS/cm. Si se considera como en el caso anterior que el límite máximo de conductividad requerido en los procesos textiles es 0.59 mS/cm [5] y además se considera según lo obtenido experimentalmente de la Tabla 41. se observa que no se puede emplear ni agua de pozo ni agua de reuso en el proceso textil ya que ambas sobrepasan el límite de conductividad, se debe tener en cuenta que este es un límite técnico para los procesos textiles en general y que debido a la gran variedad de éstos y de productos químicos empleados la conductividad del agua requerida varía en amplios rangos. Por lo general se emplea una combinación de agua de pozo y agua de acueducto en la lavandería en cuestión

134

6.2 ANÁLISIS PRELIMINAR DE COSTOS GENERALES

Para la industria, en cualquiera de sus sectores, la evaluación preliminar de costos y un control de los mismos es vital ya que sirve para determinar tanto el precio de venta como la utilidad que se desee obtener. Este tipo de estudios no es exclusivo de las grandes empresas por esto en muchas ocasiones la aceptación o rechazo de un proyecto en el cual una empresa piense en invertir, depende de la utilidad que este brinde en el futuro frente a los ingresos y a las tasas de interés con las que se evalué. A continuación se presenta un análisis preliminar de costos generales de manera que se pueda entender la incidencia que un sistema de electrocoagulación de aguas puede llegar a tener en el incremento de la rentabilidad de la empresa. Es necesario advertir que este estudio se realiza para los parámetros específicos de la empresa que suministró el agua para el estudio de la factibilidad del sistema de electrocoagulación, además como ya se ha dicho las conclusiones que se obtienen en este trabajo pueden estar sujetas a cambios dependiendo no solo del proceso que se trabaje en la empresa sino también de las condiciones de trabajo de la misma. Por lo tanto si una empresa desea implementar un sistema con similares características debe tomar la precaución de realizar un análisis sobre sus variables críticas y en lo posible llevar a escala piloto, de manera que el escalamiento y dimensionamiento de equipos sea más estricto. No obstante, realizar este estudio es fundamental para poder determinar el costo-beneficio del sistema y para garantizar una mayor difusión de la existencia de los métodos electroquímicos particularmente de la electrocoagulación como una excelente opción de tratamiento de aguas residuales. Para la realización de este análisis económico se tomó agua residual industrial de un tanque de mezclado en el cual confluyen todas los efluentes de los procesos textiles que se dan en una mediana lavandería industrial; el volumen que se produce de agua al mes es 3000m3, del cual se pretende recuperar por electrocoagulación un volumen total de agua al mes de 454.14m3. En este análisis no se escalan los factores óptimos que se obtuvieron en capítulos anteriores ya que no es posible determinar por medio de un factor de escalamiento como varían los parámetros, luego es necesario llevar a escala piloto para así tener mejor percepción de la variabilidad. Los costos que se presentan a continuación han sido calculados para un reactor cuya capacidad es de 1m3 y que tendrá que correr en el día aproximadamente quince baches. Se incluyen tanto costos directos de operación entre los que están

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la electricidad, el material del ánodo y cátodo, disposición y transporte de lodos, fuente o rectificador, reactor, como costos indirectos como lo son mano de obra, mantenimiento y depreciación de equipos (incluyendo rectificador y reactor). En la Tabla 49. se muestran los datos usados para el cálculo preliminar de costos. Ahora bien, como se observa en dicha tabla el volumen con el cual se calculan los costos de inversión es 0.002m3 pero como el reactor para el que se diseño la plataforma es de 1m3 ... Véase Anexo G y H ... se procede a hacer una corrección por volumen de manera tal que el costo de inversión inicial es $20.309.946, donde se tienen en cuenta un precio máximo de $20.000.000 para el rectificador; este último valor se discrimina ya que no es posible escalarlo por volumen sino por los factores que controla (Voltaje y Amperaje). Para amortizar la inversión fija se toma una vida útil de los equipos de 5 años. La disposición de lodos se calcula teniendo en cuenta la cantidad de lodo producida después del tratamiento, es decir por cada 2L de agua a tratar que se cargo se generaron aproximadamente 2g de lodo (tanto el lodo superior como el lodo inferior), y suponiendo que la densidad del agua a tratar es aproximadamente de 1g/cm3, se da una relación másica de 0.001 y un costo de tratamiento de 0.01dolares/KgLodo [85] con una tasa de cambio monetaria de 2.500 Tabla 49. Datos económicos usados para el análisis preliminar de costos

Modelo de cálculo para reuso de agua mediante Electrocoagulación Electrocoagulación Unidades

Costo tratamiento agua pozo 3.350,0 $/m3 Costo agua EPM incluido vertimiento 6.700,0 $/m3 Costo por disposición y transporte de lodos 25 $

Energía operación electrocoagulador Unidades Costo energía eléctrica 216,6 $/KWh Costo unitario energía 54,94 $/L

Placas Unidades Costo unitario ánodo (1/8in) 111.940,0 $/m2 costo unitario cátodo (1/8in) 372.923,9 $/m2 costo placa ánodo 99.989,3 $/placa costo placa cátodo 333.110,7 $/placa

Mano de obra planta Unidades Operario 2 Operarios Salario Mínimo legal vigente 433.700 $ Factor multiplicador 57% % Salario más prestaciones legales 1.361.818 $ Números de SMLV pagados 1 SMLV

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Costos de inversión Unidades Volumen del sistema 0,002 m3 Costo Reactor 57.797,894 $ Fuente 4.512.400 $ Costo ánodo 4.140 $/kg Costo cátodo 6.500 $/kg Costo placa aluminio 235,773 $ Costo placa acero 937,3 $ Disposición de lodos 0,01 USD/KgLodoTasa de cambio monetaria 2.500 $/USD Inversión 58.971 $ Inversión unitaria 29.485 $/L/min 6.2.1 Análisis de casos. A continuación se realiza el análisis preliminar de costos generales para dos casos en ambos se considera que solo se emplea agua de EPM y agua de reuso en el proceso textil, debido a que como se analizó anteriormente este es el caso de mayor costo. - Primer caso. Para el caso en el que se emplea agua fresca de acueducto sin financiación de la inversión, los costos de inversión se libran en menos de cuatro años y se obtiene para el quinto año una ganancia de $14.218.182. La tasa Interna de Retorno (TIR) para cinco años es la medida porcentual de beneficios que le reporta un proyecto a su inversionista; este indicador es panorámico y no aditivo y por tanto su función es de selección. En el primer caso la TIR es 17.65% anual, lo cual quiere decir que el proyecto aunque no supere enormemente las expectativas es factible ya que la TIR es mayor que la tasa de descuento, (tasa de descuento al 17% anual). El valor presente neto (VPN) para un 17% anual es el monto equivalente en dinero de hoy, de todos los ingresos y egresos presentes y futuros. Nos sirve para determinar la mayor rentabilidad de una inversión, a mayor VPN mayor rentabilidad y viceversa, el VPN esta para este caso es $350.928, considerando que la cifra no es muy alta en el sector en el cual se va a desenvolver la empresa se podría llegar a pensar que la viabilidad del sistema esta sujeta a otras variables que probablemente no sean tenido en cuenta por tanto que el sistema sea o no rentable depende de las intenciones e intereses que la empresa tenga, además vale la pena discutir que lo que aquí se pretende evaluar no hace parte del objeto o razón de la empresa sino de una ganancia alterna que está obtendría. Por lo tanto y teniendo en cuenta que el periodo de recuperación de la inversión es 3.3 años, es decir 40 meses, que la inversión es recuperable en un mediano plazo y la

137

magnitud que este proyecto implica se puede llegar a pensar que existe una rentabilidad que favorece la empresa comparada con el estado actual. - Segundo caso. Para el caso en el cual se emplea agua de EPM con financiación del proyecto de un 20% de los costos de inversión, es decir $4.061.989 con una tasa del 15% AKV (anual cuota vencida), dicha financiación se da a 5 años con una cuota de 1.211.755 $/año. Para el cálculo de la cuota del crédito se tiene en cuenta un modelo de cuotas fijas. Para una mejor comprensión se muestra en la Tabla 50. la tabla de amortización de la financiación de recursos por terceros a largo plazo. Tabla 50. Tabla de amortización del crédito

Período (años)

Capital inicio

período

Interés causado en el período

Capital mas

interés Cuota Capital fin

período Abono a capital

0 4.061.989 1 4.061.989 609.298 4.671.287 1.211.755 3.459.533 602.456 2 3.459.533 518.930 3.978.463 1.211.755 2.766.708 692.825 3 2.766.708 415.006 3.181.715 1.211.755 1.969.960 796.748 4 1.969.960 295.494 2.265.454 1.211.755 1.053.700 916.261 5 1.053.700 158.055 1.211.755 1.211.755 0 1.053.700

Entretanto es importante decir que no solo el crédito se ve librado junto con la inversión inicial de $16.247.956 al cabo de cuatro años, obteniendo para el último año una ganancia de $8.928.171. La tasa interna de retorno (TIR) para cinco años es la medida porcentual de beneficios que le reporta un proyecto a su inversionista; este indicador es panorámico y no aditivo y por tanto su función es de selección, como se mencionó anteriormente. En el segundo caso con financiación externa la TIR es 19.38% anual, lo cual quiere decir que el proyecto es factible ya que la TIR es mayor que la tasa de descuento superando las expectativas, (tasa de descuento al 17% anual). El valor presente neto (VPN) para un 17% anual es el monto equivalente en dinero de hoy, de todos los ingresos y egresos presentes y futuros. Sirve para determinar la mayor rentabilidad de una inversión, a mayor VPN mayor rentabilidad y viceversa, el VPN esta para este caso es $1.070.764, considerando que la cifra no es muy alta en el sector en el cual se va a desenvolver la empresa se podría llegar a pensar que la viabilidad del sistema esta sujeta a otras variables

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que probablemente no se han tenido en cuenta por tanto que el sistema sea o no rentable depende de las intenciones e intereses que la empresa tenga, sin embargo vale la pena discutir que lo que aquí se pretende evaluar no hace parte del objeto o razón de la empresa sino de una ganancia alterna que está obtendría. Para este caso el VPN es superior que para el caso en el que no se da un financiamiento externo; por lo tanto y teniendo en cuenta que el período de recuperación de la inversión es 3.9 años, es decir 47 meses, que la inversión es recuperable en un mediano plazo y que es más rentable frente a una recuperación de agua sin financiamiento conduce a pensar que la empresa se ve favorecida al ser comparada con su estado actual. 6.2.2 Ahorro a favor de la compañía. El ahorro empleando el proceso de electrocoagulación se calcula como se muestra en la siguiente ecuación

)14(cos33 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

motratamientCosto

mEPMaguatoVAHORRO radaaguarecupe

Donde: Vagua recuperada: Volumen de agua recuperada por medio del proceso de electrocoagulación (m3) Para el caso de la lavandería en cuestión se tienen los siguientes datos que se presentan en la Tabla 51. Tabla 51. Datos de costos para cálculos de ahorro Costo del agua de EPM incluyendo descarga 6.700 $/m3 Volumen de agua recuperada 5.450 m3/año Costo de tratamiento 54,94 $/m3 Flujo promedio de agua fresca 3.000 m3/mes *Todos los precios anteriores incluyen IVA y corresponden al segundo semestre de 2006. Reemplazando los valores que están consignados en la Tabla 52. en la ecuación (14), se obtiene

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añoAHORRO

mmañomAHORRO

$26.36213369

$94.54$6700545033

3

=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −∗=

Por lo tanto la empresa anualmente se esta ahorrando un monto total de $36.213.369,26 lo que se traduce en términos generales en un beneficio económico de grandes proporciones para una empresa mediana como la que sirvió de objeto a este análisis. Además el poder economizar este dinero en un año hace que la empresa sea más competitiva y que pueda prestar un servicio que garantiza una minimización en su impacto ambiental y una reducción en la cartera de la compañía no solo por costos de tratamiento y vertimiento de efluentes, sino que también en costos de agua limpia que ingresa a los diversos procesos. Consecuentemente con lo planteado en este análisis preliminar de costos generales es viable económicamente la implementación de un sistema de electrocoagulación para tratamiento de aguas residuales procedentes de lavanderías industriales con fines de reuso, no solo porque se incrementa la rentabilidad sino porque también existe un ahorro significativo en la cartera de la empresa.

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7 CONCLUSIONES

Este proyecto determina la factibilidad de la implementación de un tratamiento de electrocoagulación para aguas residuales industriales textiles con fines de reuso. A partir de los resultados del diseño de experimentos se determino que los factores de mayor incidencia en el proceso de electrocoagulación son en su orden: voltaje, tiempo de retención y número de placas. Además se estableció que las interacciones que son significativas estadísticamente son voltaje-tiempo de retención, voltaje-número de placas, material del ánodo-número de placas, voltaje-material del ánodo y voltaje-distancia entre placas. Los valores de los factores óptimos para tratar por electrocoagulación agua residual de lavandería industrial con fines de reuso y lograr ajustar el pH entre 5 y 9, minimizar la conductividad y la turbiedad son placas de aluminio, 20V, 0.7cm de distancia entre placas, 2 placas y 10 min. de tiempo de retención. Los anteriores valores aplican para las condiciones iniciales del agua que se que se reportan en este proyecto y las predicciones son válidas en la región experimental de 10 a 20V, 0.7 a 1.5 cm de distancia entre placas, 2 a 6 placas, 5 a 10 minutos y para placas de aluminio o hierro como ánodo y placas de acero inoxidable como cátodo, lo anterior a escala de laboratorio y no se recomienda extrapolar fuera de la región experimental. La conductividad y la turbiedad son las variables respuesta más criticas en comparación con el pH ya que esta última variable es técnicamente fácil y económica de modificar mediante neutralización. Y su valor depende de las exigencias que posea el proceso de lavandería industrial para el cual se necesite el agua. Minimizar el consumo de agua en los procesos de la industria textil es importante para disminuir la cantidad de vertimientos, el impacto ambiental y los costos de abastecimiento de agua y de los tratamientos de los efluentes. Con el óptimo operativo o tratamiento ganador del proceso de electrocoagulación de agua de lavandería industrial se obtuvieron porcentajes de remoción óptimos de 92.5% para turbiedad y 19.8% para conductividad, y se logra una variación en el pH de manera tal que este tienda a neutralizarse. También se logro una remoción de color que cualitativamente indica una excelente calidad de agua. Sin embargo, la concentración de metales luego del tratamiento aumenta

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considerablemente lo que podría llegar limitar la aplicación del agua o el porcentaje de reuso según requerimientos técnicos. La electrocoagulación es un proceso efectivo para tratar aguas residuales industriales provenientes de la industria textil con fines de reuso, según los requerimientos de calidad de agua el proceso de electrocoagulación pueden clasificarse como un tratamiento secundario o terciario. En este caso puede ser complementado con otros tratamientos para eliminar metales pesados. El proceso de electrocoagulación es viable técnicamente para tratar agua de lavanderías industriales ya que se determinó mediante este proyecto que la calidad del agua obtenida es adecuada para reuso. Según la evaluación de costos preliminares implementar el tratamiento de electrocoagulación es viable económicamente, teniendo en cuenta que el escalamiento se realizo en costos mas no en los factores ya que esto no es posible a partir de las conclusiones obtenidas a escala de laboratorio. Una suposición que se realiza es que los costos de tratamiento son lineales. Para una planta con capacidad de 5450 m3/año de agua recuperada obtenida del proceso de electrocoagulación con un 15.1% de agua de reuso utilizando agua proveniente de Empresas Públicas de Medellín, los costos de inversión inicial son de $20’309.946 que incluye costos de equipos como reactor, placas y rectificador, se libran en un máximo de 4 años, lo cual quiere decir que para un quinto año existe una ganancia neta para la empresa aún cuando los equipos no se han devaluado en su totalidad para cualquiera de los dos casos aquí evaluados. Además se determinó que la empresa anualmente se esta ahorrando un monto total de $36.213.369,26 lo cual quiere decir que existe un beneficio económico latente. Generando mayor competitividad y posiblemente una ampliación del portafolio de la compañía. Con base en lo planteado en el análisis técnico-económico la implementación de un sistema de electrocoagulación para tratamiento de aguas residuales procedentes de lavanderías industriales con fines de reuso es viable no solo porque se incrementa la rentabilidad de la compañía traducida en una TIR superior a la tasa de descuento del inversionista, es decir una TIR del 17.65% para el caso en el que no hay financiación y una TIR del 19.38% para el caso en el que hay financiación externa, sino porque también existe un ahorro significativo en la cartera de la empresa que se da por la reutilización del agua tratada.

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8 RECOMENDACIONES

Se recomienda para futuros proyectos con el fin de continuar ampliando el conocimiento en el tema de los mecanismo de operación de la electrocoagulación llevar a cabo proyectos similares al presente donde se pueda establecer cual es el valor mínimo de conductividad que el agua a tratar debe tener para que el proceso de electrocoagulación sea exitoso, así mismo determinar el desgaste de las placas y como es la incidencia del material en el proceso de electrocoagulación para conocer su efecto en los costos futuros y la periodicidad del mantenimiento del reactor. Además es importante determinar la influencia del número y material de los electrodos en el aumento de la concentración de metales en el agua tratada por electrocoagulación, cuantificar el color azul del agua para determinar con seguridad la remoción del mismo, evaluar el costo – beneficio de emplear hierro en lugar de aluminio debido a que el óptimo operativo puede implicar un mayor costo y poco beneficio comparado con operar en valores no óptimos. Sería útil también determinar los factores óptimos de voltaje, número de placas, distancia entre placas, material del ánodo y tiempo de retención sobre las variables respuestas: concentración de metales, color, DQO, DBO5 y detergentes; trabajándolas en términos de porcentajes de remoción para evitar los inconvenientes del cambio de las condiciones iniciales del sistema que dependen de las características del agua residual. Se puede pensar en ampliar la zona de experimentación considerando otros niveles de los factores entre ellos trabajar platino, titanio, cobre como material de las placas y además la aplicación del tratamiento en otros tipos de aguas residuales industriales.

Dado que el manejo de lodos es uno de los problemas menos reportados a nivel de investigación, posteriores trabajos podrían estudiar la disposición final de éstos y su impacto ambiental y analizar posibilidades de recuperación de materias primas o formas de reutilizarlos o comercializarlos.

Con resultados obtenidos en este proyecto de grado es posible realizar ensayos en una planta piloto para logra un escalamiento industrial del reactor partiendo del conocimiento de la incidencia de los factores principales sobre las variables estudiadas.

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150

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ANEXOS

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ANEXO A. Caracterización fisicoquímica del efluente industrial sin tratar empleado en el ensayo de verificación.

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ANEXO B. Caracterización fisicoquímica del efluente industrial tratado empleado en el ensayo de verificación.

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ANEXO C. Caracterización fisicoquímica del efluente industrial sin tratar del ensayo de óptimos en el cual

se emplearon placas de hierro.

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ANEXO D. Caracterización fisicoquímica del efluente industrial tratado del ensayo de óptimos en el cual

se emplearon placas de hierro.

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ANEXO E. Caracterización de agua potable de acueducto. Empresas Públicas de Medellín, 1 de Enero de 2007.

A continuación se presentan el reporte de calidad de agua potable de Medellín correspondiente a enero de 2007, información es publicada por Empresas Públicas de Medellín para dar cumplimiento al Decreto 475 de 1998 sobre la calidad del agua. EPM realiza diariamente monitoreos en puntos propios de muestreo ubicados en la red de distribución secundaria, con lo cual se lleva el control de la calidad del agua que finalmente llega al usuarios, dicha información se encuentran en la siguiente dirección electrónica. http://www.eeppm.com/epmcom/contenido/acercade/infraestructura/aguas/calidad/archives/Municipios_Enero.PDF

Cualquier aclaración adicional relacionada con la información presentada en esta página la pueden solicitar en los laboratorios de Control Calidad Aguas, teléfono 3801441/1415

160

161

162

ANEXO F. Hoja de cálculo de análisis técnico-económico

A continuación se presentan imágenes de la plataforma de Excel diseñada para realizar los cálculos para el análisis económico y técnico. Dicha plataforma está disponible en la versión magnética de éste proyecto de grado.

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ANEXO G. Apartes del anteproyecto presentado a la facultad

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• Información general. El proyecto de grado “Estudio de la factibilidad de un sistema de electrocoagulación para tratamiento de aguas procedentes de lavanderías industriales con fines de reuso” será liderado por el director de proyecto José Adrián Ríos Arango, jefe de la línea uso eficiente y calidad de agua del Grupo de Investigaciones Ambientales (GIA), quien será el principal responsable del proyecto. Adriana Aristizábal Castrillón y María Catalina Bermúdez Agudelo serán las integrantes de este proyecto, que tendrá como lugar de ejecución la Universidad Pontificia Bolivariana y cuya fecha de inicio será a partir del 16 de Enero de 2006 con una duración esperada de 10 meses a partir de la fecha de iniciación. El GIA es la unidad académica a la cual pertenece el proyecto y este se inscribe en la línea de trabajo uso eficiente y calidad de agua. Los descriptores de este proyecto son: tratamiento de aguas, electrocoagulación, reuso.

• Resumen. Con este proyecto se pretende realizar un estudio de la factibilidad de un sistema de electrocoagulación para tratamiento de aguas procedentes de lavanderías industriales con fines de reuso, lo anterior mediante la evaluación y optimización de las variables claves en un proceso de electrocoagulación, utilizando metodologías adecuadas de diseño de experimentos, además de esto se pretende realizar una evaluación preliminar de costos. Se justifica el continuar trabajando en el método de la electrocoagulación ya que ofrece a la industria una oportunidad económica y eficiente de tratamiento de aguas residuales en comparación con los tratamientos de aguas tradicionales, por esto se considera importante seguir profundizando en los trabajos realizados con anterioridad por el Grupo de Investigaciones Ambientales en los temas de electrocoagulación y reuso de agua. • Planteamiento del problema. Con este proyecto de grado se pretende determinar la influencia de los principales factores controlables como voltaje, distancia entre placas, material del ánodo, número de placas y tiempo de retención, en un proceso de electrocoagulación de aguas residuales procedentes de lavanderías industriales y determinar cuales de estos factores tienen mayor incidencia sobre el proceso, verificando si hay un cambio en las características de las aguas y mejoras en su calidad para su posterior reutilización. El Grupo de Investigaciones Ambientales (GIA) de la Universidad Pontificia Bolivariana (UPB) es un grupo que tiene como objetivo principal la contribución al desarrollo regional y la protección del medio ambiente, este grupo está adscrito a la facultad de Ingeniería Química y se rige administrativamente por el CIDI. El GIA

170

tiene las siguientes cuatro líneas de investigación: Valorización de residuos, Gestión ambiental, Calidad del aire, y Uso eficiente y calidad de agua. En esta última línea se han desarrollado proyectos relacionados con tecnologías de limpieza de aguas residuales, entre ellas la electrocoagulación, con el fin de determinar la posibilidad del reuso de agua a nivel industrial, por lo tanto este proyecto de grado complementa el plan de desarrollo de investigaciones ambientales del GIA.

• Objetivos. El objetivo general de este proyecto de grado es determinar la factibilidad de la implementación de un tratamiento de electrocoagulación para obtener agua de reuso proveniente de lavanderías industriales. Los objetivos específicos son:

o Determinar los factores más importantes y de mayor incidencia en el proceso

de electrocoagulación. o Establecer a partir de un análisis de diseño de experimentos, la interacción

entre los principales factores. o Establecer los valores óptimos de los factores controlables evaluados en el

diseño de experimentos. o Determinar si mediante el proceso de electrocoagulación de aguas de

lavandería se puede obtener agua con calidad para reuso. o Realizar una evaluación preliminar de costos generales.

• Metodología propuesta. Inicialmente se realizará una revisión bibliográfica en bases de datos especializadas y en la biblioteca de la Universidad Pontificia Bolivariana. Posteriormente se obtendrá información del proceso por medio de la experimentación, es decir, realizando cambios al sistema para estudiar sus efectos sobre las variables de interés. Durante la fase experimental se realizará un diseño de experimentos, el cual consiste en determinar cuáles pruebas y cómo se deben realizar para obtener datos que al analizarlos sean útiles para mejorar el proceso de electrocoagulación, de tal manera que puedan analizarse estadísticamente para obtener conclusiones válidas. Como es necesario estudiar varios factores, un factorial completo se hace inmanejable, por ello se seleccionará el diseño experimental factorial fraccionado 2K-P, ya que a que éste diseño permite investigar el efecto individual principal y de interacción de los diferentes factores sobre las variables respuestas. Los diseños factoriales fraccionados sacrifican información poco importante (interacciones de alto orden), en aras de un número

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de tratamientos manejable y de obtener información de los efectos más relevantes, en este caso se considera verdad el principio de jerarquía de los efectos (son más importantes los efectos principales, seguidos por interacciones dobles, luego las triples, cuádruples, etc.); además cuando se elige correr una fracción se busca poder estimar los efectos más relevantes. Las variables respuestas que se considerarán para el diseño de experimentos son turbidez, conductividad y pH, y los factores controlables son voltaje, distancia entre placas, material del ánodo, número de placas y tiempo de retención, estos factores fueron elegidos de acuerdo a la posible influencia que tienen sobre las variables respuesta. Se realizará una replica de los experimentos y se trabajarán cada uno de los factores en dos niveles. Posterior a la ejecución de los experimentos se efectuará una debida interpretación y un diagnóstico de los datos donde se determinará el tratamiento ganador en el experimento o el punto óptimo de operación del proceso. Para hacer las conclusiones finales se llevará a cabo una corrida confirmatoria del mejor tratamiento en la cual se analizarán otras variables respuestas además de pH, conductividad y turbidez, como metales, detergentes, DQO y DBO, dureza y alcalinidad. El análisis de los datos se realizará empleando un software especializado y consiste en análisis de varianza, análisis de divergencia y diagrama de paretto. Con los resultados obtenidos en el diseño de experimentos y en el ensayo de verificación se determinará la incidencia de cada factor en el proceso de electrocoagulación y si hay o no interacciones importantes entre estos factores, asimismo se establecerá si el agua tratada mediante la electrocoagulación es apta para reuso, asimismo se elaborará el estudio de factibilidad y un análisis preliminar de costos general a partir de información secundaria para la aplicación de este tratamiento de aguas en lavanderías industriales.