Electrocoagulación

La electrocoagulación (EC) es una técnica utilizada para el tratamiento de aguas residuales, el tratamiento del agua de lavado, el agua procesada industrialmente y el tratamiento médico. La electrocoagulación se ha convertido en un área de tratamiento de aguas residuales en rápido crecimiento debido a su capacidad para eliminar contaminantes que generalmente son más difíciles de eliminar mediante sistemas de filtración o tratamiento químico , como aceite emulsionado, hidrocarburos totales de petróleo , orgánicos refractarios, sólidos en suspensión y metales pesados.. Hay muchas marcas de dispositivos de electrocoagulación disponibles y pueden variar en complejidad desde un simple ánodo y cátodo hasta dispositivos mucho más complejos con control sobre potenciales de electrodo, pasivación, consumo de ánodo, potenciales REDOX de celda, así como la introducción de sonido ultrasónico, luz ultravioleta. y una gama de gases y reactivos para lograr los denominados Procesos Avanzados de Oxidación para sustancias orgánicas refractarias o recalcitrantes .

Tratamiento médico

Electrocoagulación
Malla	D004564
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Se utiliza una sonda de alambre fino u otro mecanismo de suministro para transmitir ondas de radio a los tejidos cercanos a la sonda. Las moléculas del tejido vibran, lo que provoca un rápido aumento de la temperatura, lo que provoca la coagulación de las proteínas en el tejido y lo mata de forma eficaz. En aplicaciones de mayor potencia, es posible la desecación completa del tejido.

Tratamiento de agua

Con las últimas tecnologías, la reducción de los requisitos de electricidad y la miniaturización de los suministros de energía necesarios, los sistemas EC ahora se han vuelto asequibles para las plantas de tratamiento de agua y los procesos industriales en todo el mundo. ^{[1] [se necesita una fuente de terceros ]}

Antecedentes

La electrocoagulación ("electro", que significa aplicar una carga eléctrica al agua, y "coagulación", que significa el proceso de cambiar la carga superficial de las partículas, permitiendo que la materia suspendida forme una aglomeración) es una tecnología de tratamiento de agua avanzada y económica. Elimina eficazmente los sólidos en suspensión a niveles submicrométricos, rompe emulsiones como el aceite y la grasa o el látex, y oxida y erradica los metales pesados ​​del agua sin el uso de filtros o la adición de productos químicos de separación ^[2]

Se conoce una amplia gama de técnicas de tratamiento de aguas residuales, que incluyen procesos biológicos para la nitrificación , desnitrificación y eliminación de fósforo , así como una gama de procesos físico-químicos que requieren adición química. Los procesos de tratamiento físico-químico más utilizados son la filtración , la extracción por aire , el intercambio iónico , la precipitación química , la oxidación química , la adsorción de carbono , la ultrafiltración (UF), la ósmosis inversa (RO), la electrodiálisis , la volatilización y la extracción por gas.

Beneficios

• La filtración mecánica aborda solo dos problemas en el agua de lavado de la rejilla de lavado: sólidos en suspensión mayores de 30 µm y aceite y grasa libres. El aceite y la grasa emulsionados dañan los filtros de medios, lo que genera altos costos de mantenimiento. La electrocoagulación se ocupa de cualquier tamaño de sólidos en suspensión (incluidas las partículas destructivas> 30 µm y los metales pesados ​​que pueden causar desgaste en las hidrolimpiadoras a presión y representar un peligro para el medio ambiente y los empleados).
• El tratamiento químico se ocupa de los sólidos en suspensión, el aceite y la grasa, y algunos metales pesados, pero puede requerir hasta tres polímeros y múltiples ajustes de pH para un tratamiento adecuado. Esta tecnología requiere la adición de productos químicos que resultan en un tratamiento costoso, complicado y laborioso. Este proceso también requiere la adición de aire comprimido para la flotación de contaminantes coagulados. Generalmente también se requiere filtración como fase de postratamiento para el pulido. La electrocoagulación no requiere filtros, mantenimiento diario ni aditivos y elimina cualquier tamaño de sólidos en suspensión, aceite, grasa y metales pesados.

Tecnología

El tratamiento de aguas residuales y agua de lavado por CE se ha practicado durante la mayor parte del siglo XX con una popularidad creciente. En la última década, esta tecnología se ha utilizado cada vez más en los Estados Unidos, América del Sur y Europa para el tratamiento de aguas residuales industriales que contienen metales. ^[3] También se ha observado que en América del Norte, la CE se ha utilizado principalmente para tratar aguas residuales de las industrias de pulpa y papel , minería y procesamiento de metales . Una gran aplicación de torre de enfriamiento de mil galones por minuto en El Paso, Texas, ilustra el creciente reconocimiento y aceptación de las electrocoagulaciones en la comunidad industrial. Además, la CE se ha aplicado para tratar el agua que contiene productos alimenticios.desechos, desechos de aceite, tintes, salida de transporte público y marinas, agua de lavado, tinta, partículas en suspensión , desechos de pulido químico y mecánico, materia orgánica de lixiviados de vertederos , defluoración de agua, efluentes de detergentes sintéticos y soluciones que contienen metales pesados. ^{[4] [5]}

Proceso de coagulación

La coagulación es una de las reacciones físico-químicas más importantes que se utilizan en el tratamiento del agua. Los iones (metales pesados) y coloides (orgánicos e inorgánicos) se mantienen principalmente en solución mediante cargas eléctricas. La adición de iones con cargas opuestas desestabiliza los coloides, lo que les permite coagularse. La coagulación se puede lograr mediante un coagulante químico o mediante métodos eléctricos. Alumbre [Al ₂ (SO ₄ ) ₃ ^. 18 H ₂ O ] es una sustancia química de este tipo, que se ha utilizado ampliamente durante siglos ^{[ ¿cuándo? ]} para el tratamiento de aguas residuales.

El mecanismo de la coagulación ha sido objeto de una revisión continua. Generalmente se acepta ^{[ cita requerida ]} que la coagulación se produce principalmente por la reducción de la carga superficial neta hasta un punto en el que las partículas coloidales, previamente estabilizadas por repulsión electrostática, pueden acercarse lo suficiente para que las fuerzas de van der Waals las mantengan juntas y permitir la agregación. La reducción de la carga superficial es consecuencia de la disminución del potencial repulsivo de la doble capa eléctrica por la presencia de un electrolito con carga opuesta. En el proceso EC, el coagulante se genera in situ por oxidación electrolítica de un ánodo apropiado.material. En este proceso, las especies iónicas cargadas —metales o de otro tipo— se eliminan de las aguas residuales al permitirles reaccionar con un ión que tiene una carga opuesta o con flóculos de hidróxidos metálicos generados dentro del efluente.

La electrocoagulación ofrece una alternativa al uso de sales metálicas o polímeros y la adición de polielectrolitos para romper emulsiones y suspensiones estables . La tecnología elimina metales, sólidos y partículas coloidales y contaminantes inorgánicos solubles de los medios acuosos mediante la introducción de especies de hidróxido de metal polimérico altamente cargadas. Estas especies neutralizan las cargas electrostáticas de los sólidos suspendidos y las gotitas de aceite para facilitar la aglomeración o coagulación y la separación resultante de la fase acuosa. El tratamiento provoca la precipitación de ciertos metales y sales.

"La coagulación química se ha utilizado durante décadas para desestabilizar suspensiones y efectuar la precipitación de especies de metales solubles, así como otras especies inorgánicas de corrientes acuosas, lo que permite su eliminación mediante sedimentación o filtración. El alumbre, la cal y / o los polímeros han sido el producto químico coagulantes utilizados. Sin embargo, estos procesos tienden a generar grandes volúmenes de lodos con alto contenido de agua ligada que pueden ser lentos para filtrar y difíciles de deshidratar. Estos procesos de tratamiento también tienden a aumentar el contenido total de sólidos disueltos (TDS) del efluente, por lo que es inaceptable para su reutilización en aplicaciones industriales ". ^[6]

"Aunque el mecanismo de electrocoagulación se asemeja a la coagulación química en que las especies catiónicas son responsables de la neutralización de las cargas superficiales, las características de la parvada electrocoagulada difieren dramáticamente de las generadas por la coagulación química. Una parvada electrocogulada tiende a contener menos agua unida, es más cizalla resistente y se puede filtrar más fácilmente " ^[7]

Descripción

En su forma más simple, un reactor de electrocoagulación está compuesto por una celda electrolítica con un ánodo y un cátodo . Cuando se conecta a una fuente de alimentación externa, el material del ánodo se corroe electroquímicamente debido a la oxidación, mientras que el cátodo se somete a pasivación .

Un sistema EC consiste esencialmente en pares de placas metálicas conductoras en paralelo, que actúan como electrodos monopolares . Además, requiere una fuente de alimentación de corriente continua, una caja de resistencia para regular la densidad de corriente y un multímetro para leer los valores de corriente. Las placas de metal conductoras se conocen comúnmente como "electrodos de sacrificio". El ánodo de sacrificio reduce el potencial de disolución del ánodo y minimiza la pasivación del cátodo. Los ánodos y cátodos de sacrificio pueden ser del mismo o de diferentes materiales.

La disposición de electrodos monopolares con celdas en serie es eléctricamente similar a una sola celda con muchos electrodos e interconexiones. En la disposición de celdas en serie, se requiere una mayor diferencia de potencial para que fluya una corriente dada porque las celdas conectadas en serie tienen una mayor resistencia. Sin embargo, la misma corriente fluiría a través de todos los electrodos. Por el contrario, en una disposición en paralelo o bipolar, la corriente eléctrica se divide entre todos los electrodos en relación con la resistencia de las celdas individuales, y cada cara del electrodo tiene una polaridad diferente.

Durante la electrólisis , el lado positivo sufre reacciones anódicas, mientras que en el lado negativo se encuentran reacciones catódicas. Las placas de metal consumibles, como el hierro o el aluminio , se utilizan generalmente como electrodos de sacrificio para producir iones de forma continua en el agua. Los iones liberados neutralizan las cargas de las partículas y de ese modo inician la coagulación. Los iones liberados eliminan los contaminantes indeseables ya sea por reacción química y precipitación, o haciendo que los materiales coloidales se fusionen, que luego pueden eliminarse por flotación. Además, a medida que el agua que contiene partículas coloidales, aceites u otros contaminantes se mueven a través del campo eléctrico aplicado, puede haber ionización , electrólisis, hidrólisis.y formación de radicales libres que pueden alterar las propiedades físicas y químicas del agua y los contaminantes. Como resultado, el estado reactivo y excitado hace que los contaminantes se liberen del agua y se destruyan o se hagan menos solubles.

Es importante tener en cuenta que la tecnología de electrocoagulación no puede eliminar la materia infinitamente soluble. Por lo tanto, los iones con pesos moleculares menores que Ca ⁺² o Mg ⁺² no pueden disociarse del medio acuoso.

Reacciones dentro del reactor de electrocoagulación

Dentro del reactor de electrocoagulación, se producen de forma independiente varias reacciones electroquímicas distintas. Estos son:

• Siembra , resultado de la reducción del ánodo de iones metálicos que se convierten en nuevos centros para complejos insolubles, estables y más grandes que precipitan como iones metálicos complejos.
• Rotura de la emulsión , resultante de los iones de oxígeno e hidrógeno que se unen a los sitios receptores de agua de las moléculas de aceite emulsionado creando un complejo insoluble en agua que separa el agua del aceite, el lodo de perforación, tintes, tintas, ácidos grasos, etc. ^{[8] [9]}
• Halógeno complejante , como los iones metálicos se obligan a cloros en una molécula de hidrocarburo clorado resulta en un gran agua de separación complejo insoluble de pesticidas , herbicidas , clorados PCBs , etc.
• El blanqueo por los iones de oxígeno producidos en la cámara de reacción oxida colorantes, cianuros , bacterias , virus , peligros biológicos, etc. La inundación de electrodos forzó la formación de iones para llevar la carga al agua, eliminando así el efecto polar del complejo de agua, permitiendo Los materiales coloidales se precipitan y el transporte de iones controlado por corriente entre los electrodos crea una presión osmótica que normalmente rompe bacterias, quistes y virus.
• Las reacciones de oxidación y reducción son forzadas a su punto final natural dentro del tanque de reacción, lo que acelera el proceso natural de la naturaleza que ocurre en la química húmeda, donde los gradientes de concentración y los productos de solubilidad (KsP) son los principales determinantes para permitir que las reacciones alcancen la finalización estequiométrica.
• El pH inducido por electrocoagulación se vuelve neutral.

Optimización de reacciones

La selección cuidadosa del material del tanque de reacción es esencial junto con el control de la corriente, el caudal y el pH . Los electrodos pueden estar hechos de hierro, aluminio, titanio , grafito u otros materiales, dependiendo de las aguas residuales a tratar y los contaminantes a eliminar. La temperatura y la presión parecen tener solo un efecto menor en el proceso.

En el proceso EC, la mezcla de agua y contaminantes se separa en una capa flotante, un sedimento floculado rico en minerales y agua clara. La capa flotante se elimina generalmente por medio de un vertedero de desbordamiento o un método de eliminación similar. La masa floculante agregada se deposita en el recipiente de reacción o en tanques de sedimentación posteriores debido a la fuerza gravitacional.

Después de retirarlo a un tanque de recolección de lodos, generalmente se deshidrata a una torta semiseca usando una prensa de tornillo mecánica. El agua clara tratada (sobrenadante) generalmente se bombea a un tanque intermedio para su posterior eliminación y / o reutilización en el proceso designado de la planta.

Ventajas

• EC requiere un equipo simple y es fácil de operar con suficiente latitud operativa para manejar la mayoría de los problemas encontrados durante el funcionamiento.
• Las aguas residuales tratadas por EC producen agua apetecible, clara, incolora e inodoro. ^{[ cita requerida ]}
• Los lodos formados por EC tienden a ser fácilmente sedimentables y fáciles de deshidratar, en comparación con los lodos convencionales de alumbre o hidróxido férrico, porque los óxidos / hidróxidos principalmente metálicos no tienen carga residual. ^{[ cita requerida ]}
• Los flóculos formados por CE son similares a los flóculos químicos, excepto que los flóculos de CE tienden a ser mucho más grandes, contienen menos agua unida, son resistentes a los ácidos y más estables y, por lo tanto, pueden separarse más rápidamente mediante filtración. ^[10]
• La CE puede producir efluentes con menos contenido de TDS en comparación con los tratamientos químicos, especialmente si los iones metálicos pueden precipitarse como hidróxidos o carbonatos (como magnesio y calcio. La CE generalmente tiene poco o ningún impacto sobre los iones de sodio y potasio en solución. ^{[ cita requerida ]}
• El proceso EC tiene la ventaja de eliminar las partículas coloidales más pequeñas, porque el campo eléctrico aplicado neutraliza cualquier carga residual, facilitando así la coagulación. ^[11]
• El proceso EC generalmente evita el uso excesivo de productos químicos y, por lo tanto, hay menos requisitos para neutralizar el exceso de productos químicos y menos posibilidad de contaminación secundaria causada por sustancias químicas agregadas en alta concentración como cuando se usa la coagulación química de aguas residuales. ^{[ cita requerida ]}
• Las burbujas de gas producidas durante la electrólisis pueden transportar convenientemente los componentes contaminantes a la parte superior de la solución, donde se pueden concentrar, recolectar y eliminar más fácilmente mediante un skimmer motorizado.
• Los procesos electrolíticos en la celda EC se controlan eléctricamente y sin partes móviles, por lo que requieren menos mantenimiento.
• La dosificación de las aguas residuales entrantes con hipoclorito de sodio ayuda a reducir la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y la consiguiente demanda química de oxígeno (DQO), aunque esto debe evitarse para las aguas residuales que contienen altos niveles de compuestos orgánicos o amoníaco disuelto (NH4 +) debido a la formación de metanos trihalogenados ( THM) u otros orgánicos clorados . El hipoclorito de sodio se puede generar electrolíticamente en una celda E usando platino y electrodos inertes similares o usando electrocloradores externos. ^[12]
• Debido a la excelente remoción de CE de sólidos en suspensión y la simplicidad de la operación de CE, las pruebas realizadas para la Oficina de Investigación Naval de EE. UU . Concluyeron que se encontró que la aplicación más prometedora de CE en un sistema de membranas es como tratamiento previo a un sistema de múltiples membranas. de UF / RO o microfiltración / ósmosis inversa (MF / RO). En esta función, la CE proporciona una protección de la membrana de baja presión que es más general que la proporcionada por la coagulación química y más eficaz. La CE es muy eficaz para eliminar una serie de especies que ensucian la membrana (como la sílice, los hidróxidos de metales alcalinotérreos y los metales del grupo de transición), así como para eliminar muchas especies que la coagulación química por sí sola no puede eliminar. (ver orgánicos refractarios )^{[ cita requerida ]}

Ver también

• Lista de tecnologías de tratamiento de aguas residuales
• Tratamiento de aguas residuales industriales
• Coagulación (tratamiento de agua)

Referencias

1. Productos ambientales OilTrap, Tumwater, WA. "Sistema de tratamiento de agua de lavado". Archivado el 27 de diciembre de 2011 en la Wayback Machine. Accedido el 5 de diciembre de 2012.
2. Noling, Calvin ( julio de 2004). "El nuevo sistema de electrocoagulación aborda los desafíos de las tormentas industriales, agua de lavado". Mundo acuático. PennWell Corporation.
3. Rodríguez J, Stopić S, Krause G, Friedrich B (2007). "Evaluación de la viabilidad de la electrocoagulación hacia un nuevo tratamiento de aguas residuales sostenible". Investigación en ciencias ambientales y contaminación 14 (7), págs. 477–482.
4. Lai, CL, Lin, SH 2003. "Tratamiento de aguas residuales de pulido químico mecánico por electrocoagulación: rendimiento del sistema y características de sedimentación de lodos". Chemosphere Archivado el6 de septiembre de 2008en Wayback Machine 54 (3), enero de 2004, págs.235-242.
5. Al-Shannag, Mohammad; Al-Qodah, Zakaria; Bani-Melhem, Khalid; Qtaishat, Mohammed Rasool; Alkasrawi, Malek (enero de 2015). "Eliminación de iones de metales pesados ​​de aguas residuales de galvanoplastia mediante electrocoagulación: estudio cinético y rendimiento del proceso". Revista de Ingeniería Química . 260 : 749–756. doi : 10.1016 / j.cej.2014.09.035 .
6. Benefield, Larry D .; Judkins, Joseph F .; Weand, Barron L. (1982). Química de procesos para el tratamiento de aguas y aguas residuales . Englewood Cliffs, Nueva Jersey: Prentice-Hall. pag. 212. ISBN 978-0-13-722975-8.
7. Woytowich, David L .; Dalrymple, CW; Britton, MG (primavera de 1993). "Tratamiento de electrocoagulación (CURE) de agua de sentina de barcos para la Guardia Costera de Estados Unidos en Alaska" . Revista de la Sociedad de Tecnología Marina . 27 (1): 92. ISSN 0025-3324 . 
8. Mohamud, Abdihakem Abdi; Çalışkan, Yasemin; Bektaş, Nihal; Yatmaz, H. Cengiz (20 de marzo de 2018). "Investigación del tratamiento de aguas residuales de astillero mediante proceso de electrocoagulación con electrodos de Al". Ciencia y tecnología de la separación . 53 (15): 2468–2475. doi : 10.1080 / 01496395.2018.1449860 . ISSN 0149-6395 . 
9. de Santana, Marcela Marcondes; Zanoelo, Everton Fernando; Benincá, Cristina; Freire, Flavio Bentes (mayo de 2018). "Tratamiento electroquímico de aguas residuales de una industria de panadería: Estudio experimental y de modelización". Seguridad de procesos y protección del medio ambiente . 116 : 685–692. doi : 10.1016 / j.psep.2018.04.001 . ISSN 0957-5820 . 
10. Al-Shannag, Mohammad; Bani-Melhem, Khalid; Al-Anber, Zaid; Al-Qodah, Zakaria (enero de 2013). "Mejora de la eliminación de nutrientes DQO y filtrabilidad del clarificador secundario aguas residuales municipales influyentes mediante técnica de electrocoagulación". Ciencia y tecnología de la separación . 48 (4): 673–680. doi : 10.1080 / 01496395.2012.707729 .
11. Al-Shannag, Mohammad; Bani-Melhem, Khalid; Al-Anber, Zaid; Al-Qodah, Zakaria (2013). "Mejora de la eliminación de nutrientes DQO y filtrabilidad del clarificador secundario aguas residuales municipales influyentes mediante técnica de electrocoagulación". Ciencia y tecnología de la separación . 48 (4): 673–680. doi : 10.1080 / 01496395.2012.707729 .
12. Oficina de recuperación de Estados Unidos. Yuma, AZ. "Instalaciones de investigación y equipos de prueba - Unidades de investigación química". Archivado el 9 de septiembre de 2015 en la Wayback Machine. Actualizado el 27 de julio de 2012.