Electrocoagulación en el tratamiento de aguas

Resumen

La electrocoagulación es una tecnología
limpia emergente que se conoce desde principios del siglo XX y ha
sido aplicada en el tratamiento de diversas aguas residuales.
Pese a ello, esta tecnología no se ha desarrollado
ampliamente y aún falta mucho por investigar sobre sus
procesos y mecanismos. En este artículo se hace una
revisión de la electrocoagulación, presentando su
evolución histórica, discutiendo los retos y
oportunidades de esta tecnología, presentando su potencial
de aplicación además de sus ventajas y, finalmente,
se plantean los mecanismos de reacción y el diseño
y operación de los reactores. Desde esta perspectiva, la
electrocoagulación se convierte en un proceso
electroquímico que puede tener resultados exitosos en su
aplicación optimizando los factores que lo conforman,
alcanzando el reto de proteger, conservar y recuperar el recurso
hídrico.

Introducción

Hoy en día la humanidad enfrenta la que
quizás sea una de las mayores problemáticas del
siglo XXI, y es la necesidad de proveer agua para una creciente
población mundial. Se requiere satisfacer las demandas de
agua potable, de agua de riego y de agua para la industria. El
panorama es tal que se estima que 1,1 billones de personas, el
equivalente a una sexta parte de la población mundial, no
tienen garantizado el acceso al agua potable1 y 2.2 billones no
cuentan con servicios s básicos de saneamiento.2 Entre
tanto, la demanda de agua va en aumento en relación con el
agua disponible y existe una sobreexplotación de las
fuentes, además de contaminación, mal uso y
desperdicio por la utilización de sistemas de
distribución inadecuados e ineficientes. Alrededor del
mundo los lagos, ríos, canales y otros cuerpos de agua son
contaminados por descargas industriales, por la actividad
antropogénica o por procesos naturales. En los
países en desarrollo un 70% de los desechos industriales
se vierten al agua sin tratamiento alguno, contaminando
así el agua disponible y más del 80% de los
desechos peligrosos del mundo son producidos en los Estados
Unidos y en otros países industrializados.3 Muchas
regiones del planeta sufren por la escasez de agua, mientras que
en otras el problema no es la falta del recurso, sino su mala
gestión y distribución, además de los
métodos empleados para ello. Es por esto que uno de los
mayores desafíos que enfrenta hoy en día la
humanidad es el de proporcionar agua, principalmente potable, a
la inmensa mayoría de población mundial, siendo una
necesidad particularmente crítica en los países en
vía de desarrollo debido a factores como la pobreza y,
como se dijo anteriormente, a la poca disponibilidad del recurso
y su mal manejo El uso del agua a nivel mundial se distribuye
entre doméstico, industrial y agrícola. Para los
países desarrollados 11% se utiliza para fines
domésticos, 59% para la industria y 30% para la
agricultura, mientras que para los países en vía de
desarrollo sólo el 8% tiene uso doméstico, 10% para
la industria y el 82% para la agricultura.3 A nivel global el 70%
del agua dulce es demandada por la agricultura y el 22% por la
industria.4 Es importante resaltar que en la actualidad la
población mundial es cuatro veces mayor que hace 100
años, mientras que el consumo de agua se ha multiplicado
por 9 y la necesidad de agua industrial por 40.5,6. Frente a esta
problemática mundial en torno al agua, los países
desarrollados como Estados Unidos y los países de la
Unión Europea están experimentando la necesidad de
tratar sus aguas residuales para evitar o controlar la
contaminación de su recurso hídrico y garantizar su
disponibilidad para los diferentes usos. Al mismo tiempo se han
visto en la necesidad de desarrollar una serie de estrategias de
manejo sustentable del agua.7 El reusó y
recirculación son operaciones que hacen parte de las
estrategias de manejo del agua. Sin embargo es necesario realizar
tratamientos a los efluentes. Estos tratamientos deben ser
adecuados para el propósito, tener una alta eficiencia
bajos costos y adicionalmente traer ventajas ambientales. Por
consiguiente es importante desarrollar técnicas
innovadoras que entren a competir técnica,
económica y ambientalmente con las tecnologías
tradicionales. Dentro de las tecnologías tradicionales se
encuentran procesos biológicos y procesos
físico-químicos Los procesos
físico-químicos más comunes son:
filtración, intercambio iónico,
precipitación química, oxidación
química, adsorción, ultrafiltración,
ósmosis inversa y electrodiálisis, entre otros. Hoy
en día existen una serie de tecnologías emergentes
que están basadas en la electroquímica y que
actualmente se presentan como alternativas que ofrecen ventajas
Los procesos físico-químicos más comunes
son: filtración, intercambio iónico,
precipitación química, oxidación
química, adsorción, ultrafiltración,
ósmosis inversa y electrodiálisis, entre otros. Hoy
en día existen una serie de tecnologías emergentes
que están basadas en la electroquímica y que
actualmente se presentan como alternativas que ofrecen
importantes en el tratamiento puntual de algunos contaminantes,
ubicándose como una técnica con mayores ventajas
comparativas con respecto a las tecnologías tradicionales
de tratamiento. Por ésta razón en los
últimos años ha cobrado interés
científico, pues se necesita entender a fondo el proceso y
sus mecanismos.

Historia y
evolución de la
electrocoagulación

La electroquímica es una ciencia que nace a
finales del siglo XVIII con los trabajos de Galvani y Volta, y ha
tenido desarrollos y aplicaciones en múltiples
áreas. Podemos mencionar su uso en el arranque de los
motores de los automóviles en procesos de síntesis
química y métodos para la eliminación de la
contaminación.

La electrocoagulación ha sido una
tecnología emergente desde 1906, con la primera patente
concedida en Estados Unidos. Problemas de tipo financiero o de
regulación de incentivos generaron tropiezos para que la
industria adoptara esta técnica, pero se conocen
desarrollos anteriores. Desde el siglo XIX, exactamente en 1888,
se efectuó el primer ensayo reportado en Londres por
Webster. Su proceso utilizaba ánodos de hierro soluble,
con una caída de potencial de 1.8 vatios entre los
electrodos, distantes una pulgada, y una corriente anódica
de 0.6 Amp/pie2 . 10 En 1893, Wolff electrolizó una
solución concentrada de sal para producir cloro y soda
cáustica, que utilizaba para esterilizar aguas negras en
Brewster, NY.11 En 1896 se usó en Lousville, Kentucky, una
modificación del proceso de Webster para coagular agua
cenagosa del río Ohio, proceso en el que se utilizaron
ánodos de hierro y aluminio.7, 12 En 1908 el proceso
Webster se utilizó en Santa Mónica, con reducciones
de 40% de materia orgánica. En 1914 se utilizó en
New York una modificación del proceso Webster llamado
Landreth. En éste se añade cal para mejorar la
conductividad del electrolito. En 1932 fue utilizada la
electrocoagulación en Alemania, con eficiencias del 50% en
reducción de la DBO de aguas residuales. La falla de estos
procesos se dio por el alto costo de la energía y la
necesidad de recambiar los electrodos. En 1947, en URSS, se
utilizó el proceso con electrodos de hierro para formar
hidróxido ferroso, obteniendo remociones de 70% al 80%
para la DBO. Unos años más tarde, en 1958, el
profesor Mendía, de la Universidad de Nápoles,
utilizó esta técnica para desinfectar las aguas
negras de ciudades costeras. En este proceso se mezcló 25%
al 30% en volumen de agua de mar antes de la electrolisis En
Noruega, Föyn combinó 20% de agua de mar con las
aguas residuales en la electrólisis para la
remoción de fosfato, utilizando electrodos de
carbón. Aunque la eficiencia del proceso fue buena, hubo
problemas de corrosión.10 Durante las dos últimas
décadas se han reportado trabajos en donde se utiliza el
proceso para remover partículas dispersas de aceite, grasa
y petróleo en el tratamiento de aguas residuales
provenientes de procesos de electroplateado, textiles y en
procesos de potabilización del agua misma, entre
otros.

La
electrocoagulación

La electrocoagulación es una técnica
utilizada para el tratamiento de las aguas residuales. Los
contaminantes de muy diversos efluentes son removidos aplicando
el principio de coagulación, pero en este caso no se hace
uso de un coagulante químico (cuya función es
llevada a cabo por corriente eléctrica que es aplicada al
medio líquido contaminado, como se muestra en la figura
1). Podemos entonces definir la electrocoagulación como un
proceso en el cual son desestabilizadas las partículas de
contaminantes que se encuentran suspendidas, emulsionadas o
disueltas en un medio acuoso, induciendo corriente
eléctrica en el agua a través de placas
metálicas paralelas de diversos materiales, siendo el
hierro y el aluminio los más utilizados. La corriente
eléctrica proporciona la fuerza electromotriz que provoca
una serie de reacciones químicas, cuyo resultado final es
la estabilidad de las moléculas contaminantes Por lo
general este estado estable produce partículas
sólidas menos coloidales y menos emulsionadas o solubles.
Cuando esto ocurre, los contaminantes forman componentes
hidrofóbicos que se precipitan o flotan, facilitando su
remoción por algún método de
separación secundario. Los iones metálicos se
liberan y dispersan en el medio líquido y tienden a formar
óxidos metálicos que atraen eléctricamente a
los contaminantes que han sido desestabilizados.

Figura1. Sistema de
electrocoagulación con ánodo de aluminio y
cátodo de hierro.

Retos y
oportunidades

A pesar de que la electrocoagulación es una
tecnología que se conoce hace ya más de cien
años, no se ha desarrollado una investigación
sistemática que pueda predecir el proceso desde su
comportamiento químico, reacciones y mecanismos ni provea
las herramientas suficientes para el diseño y
operación de los reactores. Es importante aclarar que en
las diferentes publicaciones que se han venido haciendo sobre el
tema se encuentran una serie de diseños a escalas de
laboratorio y piloto, pero no hay diseños de reactores
prototipos en uso hoy en día. La literatura disponible
básicamente se limita a comparar los trabajos reportados.
Esto se ha dado en parte por la reputación que ha
adquirido la electrocoagulación como tecnología
demandante de electricidad, la que puede ser costosa en muchos
lugares obligando a que se abandonen sus estudios sin un
análisis más detenido, y, por otra parte, a que
esta tecnología se ha aplicado Figura1. Sistema de
electrocoagulación con ánodo de aluminio y
cátodo de hierro, de manera empírica en muchos
casos y como tratamiento puntual sobre un contaminante
específico. En los últimos años, y debido a
la imperante necesidad de investigar, adaptar e implementar r
tecnologías eficientes en la remoción de
contaminantes de diversas aguas residuales, se ha vuelto a
considerar la electrocoagulación como alternativa viable
en el tratamiento de los efluentes líquidos, cobrando un
importante interés científico e industrial, hecho
éste que permitirá avanzar sobre los escollos que
han dejado a esta tecnología rezagada durante varias
décadas. Es así como nos enfrentamos al reto de
investigar los parámetros que controlan el proceso de
electrocoagulación de manera organizada y
sistemática, de una forma que permita diseñar el
proceso en su totalidad, desde su requerimiento de energía
hasta su reactor para así optimizarlo adaptarlo y
aplicarlo, ubicando dicho proceso como una tecnología de
punta que brinde sus ventajas en la protección y
conservación del recurso hídrico. Aplicaciones de
la electrocoagulación: Se ha aplicado la
electrocoagulación para la remoción de diversas
aguas residuales. En muchos casos se hace una combinación
de esta técnica con flotación promovida
también por electrólisis (electroflotación)
cuya finalidad es aumentar la eficiencia de remoción del
contaminante. Esto se realiza en un proceso en la misma celda, o
en celdas consecutivas. Una de las aplicaciones más
conocidas y populares de la electrocoagulación ha sido el
tratamiento de aguas residuales de la industria de galvanoplastia
y electroplateado metálico, proceso que busca remover la
carga de metales solubles en las descargas de una industria por
demás contaminante. La industria metalúrgica, la de
producción de cromo, las curtiembres y la industria de
fertilizantes, utilizan en sus procesos cromo (+6), elemento de
una alta toxicidad. Las descargas de cromo son muy reguladas a
nivel mundial y para su remoción se utilizan
métodos convencionales que incluyen adsorción,
precipitación química y degradación
biológica, entre otros. La electrocoagulación
combinada con electroflotación ha sido probada como
alternativa para la remoción del cromo en esta agua
residual. Este tratamiento ha permitido obtener aguas tratadas
con concentraciones de cromo por debajo de 0.5ppm. La industria
mecánica, las refinerías, los talleres de
reparación automotriz, el transporte y la
distribución y almacenamiento de aceites, producen aguas
residuales con altos contenidos de elementos propiamente
aceitosos y grasosos, que se caracterizan por presentar una gran
estabilidad química de sus emulsiones aceite-agua. Esto
representa una problemática ambiental importante. La
electrocoagulación ha mostrado alta efectividad en
desestabilizar dichas emulsiones y la consecuente remoción
de los aceites y grasas. La electrocoagulación
también ha sido utilizada en el tratamiento de las agua
residuales de la industria alimentaria estas aguas se
caracterizan por altos contenidos de DBO y DQO además de
altos porcentajes de grasas. Una investigación realizada
con las aguas residuales de los restaurantes de Hong Kong, las
cuales fueron tratadas por electrocoagulación y
electroflotación, mostró remociones de 99 y 88 % en
grasas y DQO respectivamente.24 Una de las áreas de
aplicación en las cuales se han desarrollado algunos
avances importantes de esta tecnología y que incluso ha
tenido mayor implementación de la misma, es el tratamiento
de las aguas residuales de lavanderías, tintorerías
e industria textil, obteniendo eficiencias importantes en la
remoción de materia orgánica, turbiedad y color. La
electrocoagulación también ha sido probada en la
potabilización de aguas. Es importante resaltar que el
paso de la corriente eléctrica a través del agua a
tratar tiene efecto desinfectante en cuanto que destruye, en
porcentajes por encima del 99%, los microorganismos presentes en
el agua. En esta misma aplicación se ha venido estudiando
o la electrocoagulación con buenos resultados en el
tratamiento de aguas para consumo humano contaminadas con
arsénico, contaminación ésta que puede
afectar la salud de la población mundial ya que puede
ocurrir en cualquier región o país. Otras posibles
aplicaciones de la electrocoagulación están dadas
en la remoción de nitratos en aguas superficiales y
subterráneas contaminadas por nitratos lixiviados
procedentes de los fertilizantes artificiales usados en los
cultivos. Finalmente, la electrocoagulación también
ha sido probada en el tratamiento de aguas cuyos contaminantes
son materia orgánica, como DBO en aguas residuales
domésticas y efluentes de la industria de los
colorantes.

VENTAJAS

Son muchas las ventajas de la electrocoagulación.
Entre las más relevantes están:

Los costos de operación son menores
comparativamente con los de procesos convencionales usando
polímeros.

Requiere de equipos simples y de fácil
operación.

Elimina requerimientos de almacenamiento y uso de
productos químicos.

Genera lodos más compactos y en menor cantidad,
lo que involucra menor problemática de disposición
de estos lodos.

• Produce flóculos más grandes que
  aquellos formados en la coagulación química y
  contienen menos agua ligada.

• Alta efectividad en la remoción de un amplio
  rango de contaminantes.

• Purifica el agua y permite su reciclaje. El paso de
  la corriente eléctrica favorece el movimiento de las
  partículas de contaminante más pequeñas,
  incrementando la coagulación.

• Reduce la contaminación en los cuerpos de
  agua.

• El agua tratada por electrocoagulación
  contiene menor cantidad de sólidos disueltos que
  aquellas tratadas con productos químicos,
  situación que disminuye los costos de tratamiento de
  estos efluentes en el caso de ser reusados.

• Puede generar aguas potables, incoloras e
  inodoras.

• Los contaminantes son arrastrados por las burbujas a
  la superficie del agua tratada, donde pueden ser removidos
  con mayor facilidad.

DESVENTAJAS

Las principales desventajas del proceso de
electrocoagulación son:

• Es necesario reponer los electrodos de
  sacrificio.

• Los lodos contienen altas concentraciones de hierro
  y aluminio, dependiendo del material del electrodo de
  sacrificio utilizado.

• Puede ser un tratamiento costoso en regiones en las
  cuales el costo de la energía eléctrica sea
  alto.

• El óxido formado en el ánodo puede, en
  muchos casos, formar una capa que impide el paso de la
  corriente eléctrica, disminuyendo de esta forma la
  eficiencia del proceso Mecanismos y Reacciones Proceso de
  electrocoagulación: Durante la electrólisis
  ocurren una serie de procesos físicos y
  químicos que permiten la remoción de los
  contaminantes. Estos procesos se pueden describir de la
  siguiente manera: En los electrodos ocurren una serie de
  reacciones que proporcionan iones tanto positivos como
  negativos. El ánodo provee iones metálicos. A
  este electrodo se le conoce como electrodo de sacrificio, ya
  que la placa metálica que lo conforma se disuelve,
  mientras la placa que forma el cátodo permanece sin
  disolverse. Los iones producidos cumplen la función de
  desestabilizar las cargas que poseen las partículas
  contaminantes presentes en el agua.

Cuando estas cargas se han neutralizado los sistemas que
mantienen las partículas en suspensión desaparecen
permitiendo la formación de agregados de los contaminantes
e iniciando así el proceso de coagulación. Los
iones que proveen los electrodos desencadenan un proceso de
eliminación de contaminantes que se puede dar por dos
vías: la primera por reacciones químicas y
precipitación y la segunda procesos físicos de
agregación de coloides, que dependiendo de su densidad
pueden flotar o precipitar. Las reacciones más importantes
que pueden sufrir las partículas de contaminantes son:
hidrólisis, electrólisis, reacciones de
ionización y formación de radicales libres. Estas
reacciones cambian las propiedades del sistema agua-
contaminantes, que conlleva a la eliminación de la carga
contaminante del agua. De acuerdo con la ley de Faraday, que rige
el proceso de electrocoagulación, la cantidad de
sustancias formadas en un electrodo es proporcional a la cantidad
de cargas que pasan a través del sistema, y el
número total de moles de sustancia formada en un electrodo
está relacionado estequiométricamente con la
cantidad de electricidad puesta en el sistema. A diferencia de la
coagulación química, proceso en el cual el
coagulante es adicionado al sistema como agente químico,
en la electrocoagulación el coagulante es formado in situ
mediante las reacciones dadas por la disolución de iones
del metal que conforma el electrodo de sacrificio. Como se
explicó anteriormente, la producción de iones
metálicos se da en el ánodo y son los iones que,
por oxidación electrolítica, dan origen a la
sustancia química que hace las veces de coagulante.
Según es expuesto por Mohllah, se considera que en el
proceso de electrocoagulación intervienen tres etapas:
inicialmente se forma el coagulante por oxidación
electrolítica del metal del ánodo, luego se da la
desestabilización de los contaminantes y emulsiones y,
finalmente, se produce la formación de flóculos por
agregación de partículas del contaminante o
adsorción de éstas en el coagulante. Reacciones
involucradas en la electrocoagulación: Los materiales
más comúnmente utilizados como electrodos en la
electrocoagulación son hierro y aluminio. Por esta
razón se tratarán de manera especial las reacciones
que se desarrollan manteniendo electrodos de estos dos metales en
la celda. La bibliografía referenciada trata ampliamente
estas reacciones, no sólo para hierro y aluminio, sino
también aquellas reacciones que ocurren cuando los
electrodos son de otros metales o materiales. El proceso de
electrocoagulación es afectado por diferentes factores.
Entre los más importantes se encuentran la naturaleza y
concentración de los contaminantes, el pH del agua
residual y la conductividad. Estos factores determinan y
controlan las reacciones ocurridas en el sistema y la
formación del coagulante. Para el caso en el cual el
hierro actúa como ánodo, se han propuesto dos
mecanismos que explican la formación in situ de dos
posibles coagulantes. Estos pueden ser hidróxido ferroso
Fe (OH)2 o hidróxido férrico Fe (OH)3.

Mecanismo 1:

Formación del hidróxido férrico En
el ánodo ocurren las siguientes reacciones:

Mecanismo 2:

Formación del hidróxido ferroso En el
cátodo ocurre la reacción:

Mecanismo dos: Formación del hidróxido
ferroso Luego de la formación de los hidróxidos de
hierro los coloides se aglomeran, especialmente aquellos con
carga negativa, y posteriormente otras partículas de
contaminantes interactúan con estos aglomerados, siendo
removidos por formación de complejos o atracciones
electrostáticas. Cuando el aluminio actúa como
ánodo las reacciones son las siguientes.

Los iones Al+3 en combinación con los OH –
reaccionan para formar algunas especies manométricas como
Al(OH)2+,Al2(OH)2+, Al(OH)2+, y otras poliméricas, tales
como Al6(OH)153+, Al7(OH)174+, Al8(OH)204+, Al13O4(OH)247+ y
Al13(OH)345+ que por procesos de precipitación forman el
Al(OH)3(s), como se muestra en la reacción de
ánodo. El Al (OH)3(s) es una sustancia amorfa de
carácter gelatinoso, que expone una gran área
superficial con propiedades absorbentes y que es propicia para
los procesos de adsorción y atracción de las
partículas contaminantes. Los reactores para la
electrocoagulación pueden clasificarse en primera
instancia como reactores tipo Bach o reactores de sistema
continuo. La selección de uno de estos tipos de reactor
depende de las características del contaminante y de su
concentración, así como de las cantidades de agua
residual a tratar. Analizando el reactor tipo Bach, encontramos
que éste debe operar con un volumen determinado de agua
residual para tratar en un ciclo. Tiene como desventaja que sus
condiciones cambian con el tiempo, pero tiene también la
ventaja de ser simple y de bajo costo para el tratamiento
localizado de aguas, Una segunda clasificación de los
reactores está dada en función de la
flotación. Una vez que el contaminante ha sufrido el
proceso de coagulación existen dos formas de separarlo del
medio acuoso, a saber: flotación y sedimentación.
Así pues, los reactores pueden diseñarse como
reactores con sólo coagulación, o con
coagulación y flotación. Son llamados reactores de
sólo coagulación aquellos que no aprovechan la
electrocoagulación para generar burbujas que separen los
agregados (flóculos) del contaminante por
flotación, mientras que los reactores en los que se
aprovechan las burbujas generadas para realizar la
flotación de los agregados del contaminante, reciben el
nombre de reactores de coagulación y flotación. La
separación por sedimentación es la más
común. La densidad de corriente empleada en el reactor
determina la cantidad de burbujas generadas. Se ha podido
observar de la experimentación que a bajas corrientes se
producen bajas densidades de burbujas, obteniéndose un
bajo flux de momentum hacia arriba que hace que predomine la
sedimentación sobre la flotación. Situación
contraria se presenta cuando se aumenta la corriente, pues la
densidad de burbujas aumenta resultando en un aumento del flux de
momentum hacia arriba, favoreciendo la flotación de las
partículas contaminantes. Los procesos que utilizan
sólo coagulación pueden combinarse con otras
tecnologías para lograr la separación del
contaminante. Estas tecnologías pueden ser:
flotación por aire disuelto, electroflotación,
filtración y clarificación. Estas combinaciones de
técnicas de separación con el proceso de
electrocoagulación se pueden llevar a cabo integrando
ambas tecnologías en el diseño del reactor o se
pueden presentar en unidades separadas. Es importante
señalar que la combinación de estas
tecnologías y su diseño dependen en gran medida de
las propiedades s y características que tengan el agua
residual a tratar y sus contaminantes. Es, además,
importante considerar el uso del efluente. Se ha observado que
cuando en el reactor se usan dos placas, una como ánodo y
otra como cátodo, no se presenta una buena
disolución de iones metálicos. Para mejorar esta
disolución se debe aumentar el área superficial de
los electrodos, lo cual se logra aumentando el número de
placas, disponiéndolas en serie en forma paralela
monopolar o bipolar como se muestra en la figura 2.

Figura2. Reactores para
electrocoagulación tipo Bach:

(a) Reactor con electrodos monopolares
conectados en paralelo,

(b) Reactor con electrodos monopolares
conectados en serie.

Existen otros tipos de reactores para la
electrocoagulación. Uno de ellos es el tipo filtro prensa,
constituido por un par de marcos. Uno de ellos soporta el
ánodo y el otro el cátodo en forma de placas, de
manera que su acople forma una cámara como se muestra en
la figura 3. El agua a ser tratada entra por la parte lateral a
la cámara y es inducida a flujo turbulento, para
incrementar la eficiencia del proceso. Este sistema hace que su
operación y mantenimiento sean relativamente
simple

Para la remoción de metales se usa
el reactor de electrodo cilíndrico rotativo, en el cual el
cátodo gira en el centro de la celda y el ánodo se
encuentra fijo, como se muestra en la figura 4. Esta
disposición permite aumentar la transferencia de masa en
los electrodos y remover partículas de metal del
cátodo. Finalmente, también es usado para la
remoción de metales el reactor de lecho fluidizado,
mostrado en la figura 5. Éste permite aumentar el
área específica superficial, mejorando la
eficiencia del proceso.

Los materiales usados en el ánodo deben ser
dimensionalmente estables, por ejemplo como el acero que se
utiliza en los reactores para la recuperación de metales.
Los electrodos más modernos son fabricados de titanio con
una pequeña capa de óxidos de metales nobles. Sin
embargo, el material más comúnmente utilizado es el
aluminio. El cátodo puede ser de metal, grafito, fibras de
carbón, acero o titanio. Factores que afectan la
electrocoagulación Son muchos los factores que intervienen
en el proceso de electrocoagulación y algunos de estos
factores tienen mayor influencia sobre el proceso. A
continuación discutiremos aquellos que se relacionan
más directamente con la efectividad del mismo pH. El pH
influye sobre la eficiencia de la corriente en el proceso de
solubilidad del metal para formar hidróxido14. Se ha
observado en diferentes investigaciones que el pH varía
durante el proceso de electrocoagulación y esta
variación es dependiente del material de los electrodos y
del pH inicial del agua a tratar. El pH durante el proceso puede
incrementarse para aguas residuales ácidas, efecto
atribuido a la generación de hidrógeno molecular
que se origina en el cátodo. En contraposición, en
aguas residuales alcalinas el pH puede decrecer y, dependiendo de
la naturaleza del contaminante, el pH influye sobre la eficiencia
del proceso. Se ha determinado en algunos casos que la mayor
eficiencia en la remoción de un contaminante se da dentro
de un rango específico de pH, e incluso este rango puede
ser amplio.

En términos generales las mejores remociones se
han obtenido para valores de pH cercanos a 7. Ejemplos de esta
situación se pueden ver en la remoción de
arsénico en aguas de consumo, donde el mayor porcentaje de
remoción de arsénico se da en pH entre 6 y 8, y las
mejores remociones de turbiedad y DQO en las aguas de la
industria textil se dan en un pH de 7 Las reacciones que se dan
durante el proceso de electrocoagulación le dan al medio
acuoso capacidad buffer. Especialmente en aguas residuales
alcalinas, esta propiedad previene grandes cambios de pH, con lo
cual son menores las dosificaciones de sustancias químicas
para regular el pH. Densidad de corriente. Como las variables
eléctricas en el proceso de electrocoagulación son
los parámetros que más influyen en la
remoción del contaminante de un agua residual y
están ligados a factores económicos, se debe
prestar mayor atención a su estudio. La eficiencia en la
remoción y el consumo de energía se incrementan con
el aumento en la densidad de corriente.

Para algunas conductividades del medio acuoso el consumo
de energía se incrementa proporcionalmente con los
aumentos de conductividad, lo que conlleva a un consumo mayor de
energía. Para altos consumos de energía se
presentan pérdidas por la transformación de
energía eléctrica en calórica,
produciéndose un aumento en la temperatura del medio
acuoso. El suministro de corriente al sistema de
electrocoagulación determina la cantidad de iones de
aluminio Al +3 o hierros Fe +2, liberados por los respectivos
Electrodos En general un aumento de la densidad de corriente
genera un aumento en la remoción de contaminante. Una
densidad de corriente demasiado grande produciría una
disminución significativa en la eficacia. La
selección de la densidad de corriente podría
realizarse teniendo en cuenta otros parámetros de
operación, como pH y temperatura. La energía
eléctrica que se suministra a la celda
electroquímica puede ser mediante corriente alterna (CA) o
bien como corriente directa (CD). Las características
propias del paso de cada una de las corrientes a través
del medio acuoso generan diferentes respuestas
electroquímicas entre las placas y el agua residual
tratada. Cuando se suministra corriente directa se produce en el
cátodo una impermeabilización, lo que causa una
menor eficiencia en la remoción. Conductividad: Un
incremento en la conductividad eléctrica genera a su vez
un incremento en la densidad de corriente. Cuando se mantiene
constante el voltaje alimentado a la celda de
electrocoagulación y adicionalmente el incremento de la
conductividad, manteniendo la densidad de corriente constante, se
produce una disminución del voltaje aplicado.

La adición de algunos electrólitos tales
como NaCl o CaCl2 generan un aumento en la conductividad del agua
residual. Además se ha encontrado que los iones de cloruro
pueden reducir los efectos adversos de iones como HCO3 – y SO4 =,
pues la presencia de iones carbonatos o sulfatos pueden conducir
a la precipitación de Ca+2 y Mg+2 produciendo una capa
insoluble depositada sobre los electrodos que aumentaría
el potencial entre éstos, decreciendo así la
eficiencia de la corriente. Se recomienda, sin embargo, que para
un proceso de electrocoagulación normal se mantengan
cantidades de Cl- alrededor del 20%.

Temperatura.

Los efectos de la temperatura sobre la
electrocoagulación no han sido muy investigados, pero se
ha encontrado que la eficiencia en la corriente se incrementa
inicialmente hasta llegar a 60º C, punto donde se hace
máxima para luego decrecer. El incremento de la eficiencia
con la temperatura es atribuida al incremento en la actividad de
destrucción de la película de óxido de
aluminio de la superficie del electrodo. En la tabla 1 se
presenta un resumen de algunas investigaciones, mostrando los
valores de las variables más importantes en el proceso y
la remoción alcanzada para diversos contaminantes en
distintas aguas residuales industriales.

Costos

El proceso de electrocoagulación permite la
remoción de una alta cantidad de contaminante en una sola
operación, situación que convierte a esta
tecnología en una opción económica y
ambiental para el tratamiento de las aguas residuales de muchas
industrias. El capital y los costos de operación son mucho
menores comparativamente con un tratamiento por
coagulación química, incluso se puede llegar a
recuperar los costos de capital en menos de un año. Estos
costos dependen del caudal a tratar, de la naturaleza del agua
residual, de los contaminantes a ser removidos y de la
región o localidad en la que se desea realizar el
tratamiento. Se ha estimado que los costos de operación
para tratar por electrocoagulación 1´500.000 GPA (5
GPM) de agua residual con contenidos de TSS grasas y aceites, y
algunos metales como níquel y zinc, es de US$ 1.500,
mientras que los costos para tratar la misma agua residual por
medio de coagulación química es del orden de US$
45.000, para un ahorro anual del orden de US$ 43.500 cuando se
aplica electrocoagulación en lugar de coagulación
química. Estos costos no incluyen transporte y
disposición de lodos ni mano de obra.

Cuando se compara la coagulación con alumbre y la
electrocoagulación, este último tratamiento produce
83% menos volumen de lodos que el primero, lo cual representa
diferencias significativas en los costos del transporte y
disposición final de los lodos. Los costos de
operación dependen en buena medida del material de los
electrodos Por ejemplo, cuando se trata el agua residual de la
industria textil por electrocoagulación con electrodo de
hierro como electrodo de sacrificio, los costos de
operación son del orden de US$ 0.1por kg de DQO removido y
cuando el electrodo de sacrificio es de aluminio, su costo de
operación es del orden de US$ 0.3 por kg de DQO
removido33. Los costos del electrodo de sacrificio son alrededor
del 50% de los costos totales para el hierro, y del 80% para el
aluminio.

También se ha observado que la densidad de
corriente influye sobre los costos operativos en general el
comportamiento depende del material del electrodo gastado. Para
la industria textil33, en el caso del hierro hay un
comportamiento lineal de los costos. Para incrementos de densidad
de corriente de 50 a 200 Am-2 los costos de operación se
incrementan del 48% al 62%, mientras que para el aluminio hay una
disminución de los costos de operación por
kilogramo de DQO removido de alrededor de 100 Am-2. Finalmente la
inversión inicial involucra los costos de la fuente de
energía y la celda, además de adecuaciones y otros
equipamientos. Este costo inicial es del orden de US$ 107.000
para tratar 1,5 GPM, y de US$112.000 para tratar 3GPM.

Conclusión

La electrocoagulación es en la actualidad una
tecnología emergente que se presenta como alternativa para
el tratamiento de aguas residuales, ofreciendo un potencial muy
grande en la remoción de muy diversos contaminantes
contenidos en las aguas residuales de diferentes fuentes. Aunque
ésta técnica es conocida hace ya algunas
décadas y aplicada en muchos casos es aún tema de
investigación y experimentación, pues se ha
comenzado a recobrar el interés en ella debido a sus
potencialidades en la aplicación, facilidad de manejo y
operación, versatilidad y adaptabilidad a diferentes
procesos y a sus ventajas ambientales y económicas. Es
así como el diseño de reactores para la
electrocoagulación, la selección de los materiales
de los electrodos y las condiciones de operación son
aspectos que se deben perfeccionar mediante la
investigación para optimizar los procesos y hacerlos
económicamente competitivos. Sin duda alguna la necesidad
de proveer agua para la inmensa demanda mundial y la crisis por
el recurso hídrico, constituyen un desafío que
requiere atención urgente. La electrocoagulación,
como tecnología de alto rigor científico, tiene un
significativo valor como parte de la solución global a
este problema. El enfoque que se presenta de esta
tecnología es positivo y pretende sentar un precedente y
ahondar en todos los aspectos que la hacen completa, pertinente y
observada como uno de los mejores modelos, con un gran alcance de
aplicación y un muy significativo impacto en la
población mundial. La investigación que se realice
en un futuro inmediato del proceso de electrocoagulación
tendrá como antecedentes las revisiones y los experimentos
que se hayan estructurado para alcanzar su objetivo, la
optimización de la tecnología y de las alternativas
en el aprovechamiento de las mismas. Los costos de montaje y
operación son fundamentales en la aplicación de
esta tecnología. Es por esto que cada caso en particular
requiere de un estudio y análisis minucioso de los
aspectos técnicos y económicos del
proceso.

Referencias

1. HOLT, Peter K.; BARTON, Geoffrey W. and
MITCHELL, Cynthia A. The future for electrocoagulation as a
localized water treatment technology. In: Chemosphere Vol.59, No.
3 (apr. 2005); p.355–367.

2. ORGANIZACIÓN DE ESTADOS
IBEROAMERICANOS – OEI. Década por una
educación para la sostenibilidad: Nueva Cultura del agua.
[ on line ]. España: OEI, 2006. [Citado el 10 de abril de
2006].Disponible en:
http://www.oei.es/decada/accion06.htm

3. ORGANIZACIÓN DE LAS NACIONES
UNIDAS. Programa mundial de evaluación de los recursos
hídricos: Resumen Ejecutivo Oficial del Informe (WWDR).
Washington: Banco Mundial, 2001. [Citado 11 de abril 2006]
Disponible en http://www.unesco.
org/water/wwap/facts_figures/agua_industria

4. UNESCO. 2003 año internacional
del agua dulce. Hechos y cifras: agua dulce. [on line]. s.l.:
UNESCO, 2003. [Citado 11 de abril 2006] Disponible en:
http://www.wateryear2003.
org/es/ev.php-URL_ID=1607&URL_DO=DO_TOPIC&URL_SECTION=201.html

5. ORGANIZACIÓN PANAMERICANA DE LA
SALUD. El Agua. [on line]. Washington: BVSDE, 2004. [Citado mayo
25 de 2004]. Disponible en http://www.cepis.ops-oms.org/
bvsacg/e/elagua.html

6. LIBHABER, Menahem. Manejo sostenible de
las aguas residuales urbanas en países en vía de
desarrollo. [on line]. En: CONGRESO INTERAMERICANO DE
INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL. (24: 2004: San Juan,
Puerto Rico). Memorias del XXIX Congreso Interamericano de
Ingeniería Sanitaria y Ambiental, AIDIS. San Juan: AIDIS,
2004. [Citado 11 de abril 2006] Disponible en
http://www.cepis.ops- oms.org/visados/
puertorico29/libaba/parte1.pdf

Autor:

Mencias Dennise

Morales Johana

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

ELECTROQUIMICA

Semestre: Cuarto

Profesor: Juan Enrique Tacoronte

Fecha de entrega: 2013-12-18