Degradacion de Colorantes

7/24/2019 Degradacion de Colorantes

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UNIVERSIDAD AUTNOMA DEL ESTADO DE MXICO

FACULTAD DE QUMICA

DEGRADACIN ELECTROQUMICA DE UN COLORANTE

ARTIFICIAL EN UN REACTOR TIPO BATCH

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE:

I N G E N I E R O Q U M I C O

PRESENTA:

A N G L I C A G U T I R R E Z L P E Z

DIRECTOR:

DR. CARLOS EDUARDO BARRERA DAZ

ASESOR:

DRA. GABRIELA ROA MORALES

TOLUCA, MXICO NOVIEMBRE, 2013


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NDICE GENERAL

Resumen. 7

Introduccin.. 9

CAPTULO I.- El agua. 12

Contaminacin del agua . 12

Aguas residuales 13

Tipos de contaminacin 13

Depuracin de aguas 14

Parmetros de la calidad del agua 14

Parmetros fsicos 15

Parmetros qumicos 15

Parmetros biolgicos 16

Demanda qumica de oxgeno (DQO) 16

CAPTULO II.- Generalidades de los procesos electroqumicos 17

Electroqumica.. 19

Reacciones de oxidacin-reduccin (reac. redox) 20

Celda electroqumica... 21

Electrolitos.. 23

Electrocoagulacin.. 24

Constitucin y construccin de un reactor electroqumico 27

Electrolito soporte . 28

Mecanismo de funcionamiento en el reactor 31

Leyes de Faraday relativas a la electrolisis 32

Velocidad de las reacciones electroqumicas 33

Hiptesis.. 35

Objetivos. 35

CAPTULO III.- Metodologa 36Materiales 38

Reactivos 38

Parmetros de control 39

Caracterizacin fisicoqumica del agua sinttica 39

Curva de calibracin 39

Diseo y construccin de la celda electroltica . 40

Pruebas realizadas en el tratamiento .. 43

Evaluacin de pH . 43


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Determinacin de la demanda qumica de oxgeno (DQO) 43

CAPTULO IV.- Resultados y discusin. 45

Espectros de absorcin de Azul.. 45

Determinacin de las condiciones ptimas del tratamiento .. 47

Tratamiento A en ambos reactores (reactor 1: aluminio y reactor 2: hierro) 47

Tratamientos B y C en el reactor 1 (electrodos de aluminio)

Tratamientos B y C en el reactor 1 (electrodos de hierro)

48

53

Pruebas adicionales realizadas a partir de las condiciones ptimas del tratamiento de este

trabajo.. 59

Demanda qumica de oxgeno en el reactor ms eficiente 59

Tratamiento electroqumico para la mezcla de colorantes .. 61

Conclusiones... 66

Referencias. 67

Anexos. 70

Leyes de Faraday.. 71

Espectrofotometra 73


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INDICE DE FIGURAS

FIGURA 1 Esquema bsico de un celda electroqumica

FIGURA 2 Celda con electrodos de aluminio y hierro que con agua solamente a) y

luego de someterla a una determinada corriente provoca un precipitado de

color caf b)

FIGURA 3 Mecanismo en el reactor electroqumico

FIGURA 4 Preparacin de catalizadores

FIGURA 5 Reactor conectado a la fuente de poder, vista de los electrodos y distancia

entre ellos.

FIGURA 6 Vista de las placas de hierro por la que pasa la corriente elctrica.

FIGURA 7 Velocidad de una reaccin AB

FIGURA 8 Metodologa utilizada para el tratamiento

FIGURA 9 Dimensiones de las placas de aluminio para la celda de tratamiento

FIGURA 10 Disposicin de las placas de aluminio en la celda de tratamiento

FIGURA 11 Dimensiones de las placas de hierro para la celda de tratamiento

FIGURA 12 Disposicin de las placas de hierro en la celda de tratamiento

FIGURA 13 Procedimiento de uso del equipo HACH en el tratamiento de agua residual

FIGURA 14 Espectro de absorcin del colorante comestible azul

FIGURA 15 Curva de calibracin del colorante azulFIGURA 16 Resultados de las pruebas utilizadas para determinar la intensidad de

corriente ms eficiente para ambos reactores (Reactor 1 con electrodos de

aluminio, Reactor 2 con electrodos de hierro)

FIGURA 17 Diagrama de distribucin de especies para el aluminio considerando 0.12 M

de+

FIGURA 18 Grfica del tratamiento realizado sin electrolito y con electrolito a 2 A y

pH 7, en el reactor de electrodos de aluminio.

FIGURA 19 Resultados del tratamiento C aplicado en el reactor 1FIGURA 20 Grfica del tratamiento realizado con electrolito y sin electrolito a 2 A y

pH 7, en el reactor de electrodos de hierro.

FIGURA 21 Espectro de absorcin del colorante comestible azul durante el tratamiento

de electrocoagulacin con electrodos de hierro.

FIGURA 22 Diagrama de distribucin de especies para el hierro considerando 0.018M

Fe +2.

FIGURA 23 Diagrama de distribucin de especies para el aluminio considerando 0.018M

de Fe+


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FIGURA 24 Resultados del tratamiento C aplicado en el reactor 2

FIGURA 25 Grfica de resultados obtenidos en pruebas realizadas luego de la

optimizacin del tratamiento midiendo DQO

FIGURA 26 Promedio de resultados que se obtuvieron en la determinacin de DQO a

condiciones ptimas de tratamiento.

FIGURA 27 Grfica de la cintica que sigue el tratamiento de electrocoagulacin en la

remocin del colorante azul.

FIGURA 28 Espectro de absorcin de los colorantes comestibles azul, amarillo y verde.

FIGURA 29 Grficos de absorbancia en funcin de la concentracin del colorante a) azul

y b) amarillo.

FIGURA 30 Grfico de concentracin de colorante en funcin del tiempo para el

tratamiento electroqumico aplicando una intensidad de corriente de 4A sin

adicin de perxido.

FIGURA 31 Grfico de concentracin de colorante en funcin del tiempo para el

tratamiento electroqumico aplicando una intensidad de corriente de 4 A,

adicionando perxido de hidrgeno.


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INDICE DE TABLAS

TABLA 1 Parmetros fsicos del agua utilizados en el control de procesos

TABLA 2 Parmetros biolgicos del agua utilizados en el control de procesos

TABLA 3 Tratamientos de aguas por mtodos electroqumicos

TABLA 4 Materiales utilizados y sus caractersticas

TABLA 5 Reactivos utilizados y sus caractersticas

TABLA 6 Resumen de parmetros fisicoqumicos del agua sinttica

TABLA 7 Frmulas para el clculo de la densidad de corriente de los electrodos

TABLA 8 Condiciones ptimas para eliminar el color artificial presente en el agua

sinttica.

TABLA 9 Resultados de la remocin de color para cada una de las pruebas, despus

de un tiempo de 60 minutos de electrocoagulacin.

TABLA 10 Velocidad de disolucin de los metales basada en las leyes de Faraday.

TABLA 11 Volumen de material (cm3/s) eliminado al pasar una intensidad constante


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RESUMEN

La crisis ambiental sin duda es uno de los retos ms importante que enfrenta la sociedad

actualmente, por lo que la educacin ambiental para el desarrollo sustentable se convierte en

un eje fundamental para revertir el deterioro ambiental.(SEMARNAT 2011)

El pas presenta un desequilibrio entre la disponibilidad hdrica y demanda, existen cuencas

donde se utiliza un bajo porcentaje del agua total disponible, y la otra se utiliza ms del 100%.

Hasta el 2010 a nivel nacional se colectan mediante los sistemas de alcantarillado el 89.9% de

aguas residuales generadas y reciben tratamiento el 43.4% de las aguas residuales colectadas, al

2012 lo anterior se incrementa al 60%.(SEMARNAT 2011)

En este escenario, el principal problema de calidad del agua en el pas la falta de infraestructura

para el tratamiento de aguas residuales debido a los altos costos de los mtodos convencionales.

La elevada concentracin de materia orgnica del agua residual de la industria alimenticia

representa un gran problema ambiental. El establecimiento de regulaciones ms estrictas en

relacin al tratamiento de aguas residuales, esto ha sido de gran inters en la investigacin de

nuevas tecnologas y procedimientos para la descontaminacin del agua. (Roa, 2007)

En este trabajo se presenta una propuesta para el tratamiento de agua sinttica particularmente

utilizando colorantes de la industria alimenticia. Esta propuesta se basa en las Tcnicas o

Procesos Electroqumicos las cuales brindan una gran utilidad para el tratamiento de aguas

residuales industriales y compiten eficientemente con los tratamientos convencionales. (Roa,

2007)

Para comprobar en general la viabilidad del tratamiento mediante un proceso electroqumico serealizaron dos pruebas en diferentes reactores, el primero con electrodos de aluminio y el

segundo con electrodos de hierro. Se efectuaron ensayos para determinar la intensidad de

corriente a utilizar, as como el pH, al igual que la distancia entre electrodos y el rea de

contacto total en el reactor.

Con el uso del reactor tipo batch de electrodos de aluminio se obtiene una remocin del 15.6%

del color presente en el agua en un tiempo de 15 minutos, lo que no indica un buen resultado


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comparado con lo que se obtiene posteriormente con el reactor de electrodos de hierro como se

muestra en las siguientes lneas.

Se obtiene una remocin del 99.9% de color presente en el agua, un 99.9% de Demanda

Qumica de Oxgeno (DQO), utilizando un reactor electroqumico tipo batch de 500mL de

capacidad con electrodos de hierro.

Una vez que se muestran resultados favorables al tener una eficiencia de 99.9% en la remocin

del colorante en el reactor de electrodos de hierro, se efecta una aplicacin de dicho

tratamiento a una mezcla de colorantes.

Se realizaron pruebas con intensidades de corriente de 2 y 4 A, y con adicin de perxido de

hidrgeno en uno de las pruebas, lo cual da como resultados una eficiencia mayor a 4A de

intensidad de corriente y sin la adicin de perxido, donde se observ alrededor de un 96% de

remocin de color azul y de un 93% aproximadamente para el color amarillo.

Por lo que este tratamiento de electrocoagulacin en un reactor electroqumico es una tcnica

til para remover satisfactoriamente el color en el agua sinttica con colorantes de la industria

alimentaria.


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INTRODUCCIN

Una de las mayores necesidades de la sociedad moderna es el de disponer abundante agua para

las actividades cotidianas y el consumo; ante el aumento constante de la poblacin, la enorme

expansin de la industria y la falta de proteccin al ambiente, la disponibilidad de agua en el

planeta ha ido disminuyendo porque la mayor parte de esta se encuentra contaminada. Del total

de agua disponible en ros y pozos de la Repblica Mexicana, el 85% es para uso agrcola, 5%

para uso domstico, 5% para uso industrial y el 2% consumimos.( Kemmer and Mc Callion,

1997)

El agua se considerada el disolvente universal por lo que todo lo que tenga contacto con ella

podr contaminarla o afectarla de alguna manera, es una sustancia altamente reactiva con

propiedades poco usuales y muy diferentes fsica y qumicamente de otros lquidos,

propiedades fsicas tales como densidad, punto de ebullicin, punto de fusin, tensin

superficial, transparencia, olor, color y sabor. (Kemmer and Mc Callion, 1997)

La calidad del agua se determina a partir de anlisis qumicos, fsicos y bacteriolgicos, stos

puede variar desde anlisis sencillos donde se determinan los principales elementos hasta

anlisis ms complejos donde se determinan gran variedad de especies presentes en agua. El

deterioro de la calidad es consecuencia directa del vertido sin previo tratamiento de las aguas

residuales municipales, agrcolas e industriales que contienen grandes cantidades de sustancias

contaminantes que afectarn los cuerpos de agua dependiendo del origen de las aguas, el tipo

de contaminantes y los volmenes descargados. (PROY-NMX-AA-003SCFI-2006)

El sector alimenticio produce una gran cantidad de aguas residuales con altas concentraciones

de compuestos orgnicos tales como azucares, carbohidratos y productos fermentados, que no

son eliminados totalmente por tratamientos fisicoqumicos previos como la coagulacin

floculacin y sedimentacin, o por procesos biolgicos.

Por otro lado, se ha probado que las tcnicas electroqumicas representan una manera eficiente

de remover los contaminantes orgnicos adems de ser mtodos amistosos ambientalmente que

otros mtodos qumicos usados en el tratamiento de agua residual. (Carbajal, et. al. 2012)

Una de las caractersticas del agua residual y que representa un problema es el color, y es

objeto de grandes esfuerzos en mejorar las tecnologas de tratamiento, la coloracin en las

descargas de agua no es solo de la industria textil sino tambin se produce en otras operaciones


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industriales como la absorcin de caf. La elevada concentracin de color y la turbiedad de los

efluentes de aguas residuales son particularmente alarmantes ya que tienen un efecto visual

negativo. (Barrera, et. al. 2002)

Se puede considerar como agua potable a aqulla cuyo uso y consumo no causa efectos

nocivos al ser humano ya que cumple con el reglamento oficial, mientras que el agua purificada

es sometida a procesos fsicos y qumicos y se considera ptima para el consumo humano su

ingestin no causa daos a la salud, y cumple con los requisitos de las Normas Oficiales

Mexicanas. (SEMARNAT, 2006)

Los desafos del agua son grandes y complejos, pero superables, si actuamos con determinacin

y unidad y si el esfuerzo se despliega de forma consistente y continuada. Tenemos que sumar

voluntades, capacidades y recursos. Tenemos que cambiar nuestro modo tradicional de

relacionarnos con el agua; no podemos seguirla viendo como un recurso inagotable, sino como

un bien escaso y costoso que es necesario manejar responsablemente para nuestro beneficio y

para el de las futuras generaciones. (CNA, 2011)

En esta investigacin se presenta una propuesta novedosa para el tratamiento de aguas que

contengan colorantes de la industria alimentaria, la idea es realizar un tratamiento del agua

sinttica utilizando un colorante de alimentos (azul), determinar las mejores condiciones de

eliminacin y posteriormente aplicarlo a una mezcla de colorantes azul y amarillo

incrementando en este caso la concentracin inicial de la mezcla para verificar si el tratamiento

es eficiente tambin para este otro color o mezcla de colores .

Se muestran adems los fundamentos tericos, as como el resumen de la experimentacin

realizada para obtener agua con DQO del 0.01% a partir de agua sinttica la cual contiene agua

potable y una determinada concentracin de colorante alimenticio.

Los objetivos principales son aplicar los fundamentos de los Procesos de Oxidacin Avanzada

(POA) en el desarrollo de una metodologa para remover color de agua con colorante

alimenticio as como comprobar que la tcnica desarrollada es ms eficiente respecto a los

tratamientos convencionales de aguas residuales y que adems se puede acoplar a stos.

En el captulo I se desarrolla la importancia y cantidades de agua presentes en el planeta, as

como la contaminacin y el origen de sta, adems se menciona brevemente lo que son las


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aguas residuales, sus caractersticas y cmo es posible depurarlas consiguiendo la calidad

requerida.

En el captulo II se presentan de manera general los conceptos de los procesos electroqumicos,

electroqumica y lo referente a las celdas electroqumicas, incluyendo algunas normas

implicadas en la propuesta de este proyecto.

En el captulo III se expone la metodologa y fundamentos para el diseo de los experimentos

que corresponden al presente trabajo de tesis.

Finalmente en el captulo IV se muestran los resultados obtenidos en la fase del trabajo

experimental los cuales de discuten y se formulan conclusiones que permiten afirmar la

hiptesis planteada as como cumplir los objetivos propuestos en la degradacin electroqumica

del colorante alimenticio.

En los anexos podremos apreciar los fundamentos correspondientes a la espectrofotometra y

leyes de Faraday.


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CAPTULO I

El Agua

La vida comenz en el agua, al volverse ms complejas y especializadas las cosas vivas,

abandonaron el mar y se asentaron en la Tierra tomando el agua como componente principal de

sus cuerpos, el agua es vida. La molcula del agua no explica por s misma las propiedades

extraordinarias que resultan de su arreglo molecular.

Las tres cuartas partes de la superficie terrestre se encuentran cubiertas de aguas, sin embargo

de la cual el 97.2 % de encuentra en ocanos y mares, 2.15% en hielos y glaciares, 0.62% son

aguas subterrneas, 0.017%, est en lagos y ros, 0.001% en la atmsfera y 0.0001% en los seres

vivos. (Kemmer and Mc Callion, 1997)

El agua ha sufrido una migracin constante en la superficie de la Tierra desde tiempo

inmemorial. Las abundantes fuentes de agua llevaron a los colonizadores a ubicarse al lado de

ros. Las cataratas se volvieron las fuentes principales de potencia en la antigua industria.

(Kemmer and Mc Callion, 1997)

Contaminacin del agua

La contaminacin del agua es la incorporacin de materias extraas a sta, como

microorganismos, productos qumicos, residuos industriales y de otros tipos, o aguas residuales;

dichas materias extraas deterioran la calidad del agua y la hacen intil para los usos que se

pretendan. (Kemmer and Mc Callion, 1997)

El agua contiene sustancias qumicas, fsicas y biolgicas disueltas o suspendidas en ella,adems de organismo vivos que reaccionan con sus elementos fsicos y qumicos.

El color, la espuma y el calor son contaminantes que causan problemas a la calidad del agua

ya no son objetables por razones estticas, tambin limitan la penetracin de la luz y pueden

reducir los niveles de oxgeno disuelto, lo cual altera el equilibrio ecolgico natural del agua.

(Glynn, and Heinke, 1999)


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Adems est demostrado que la introduccin de contaminantes en las fuentes acuferas est

relacionada con la lluvia, la naturaleza geolgica del manto acufero, as como las actividades de

la naturaleza y la actividad humana. (Kemmer and Mc Callion, 1997)

Aguas residuales

Son las aguas de composicin variada provenientes de las descargas de usos municipales,

industriales, comerciales, agrcolas, pecuarios, domsticos y similares, as como la mezcla de

ellas. (PROY-NMX-AA-003-SCFI-2006)

Las aguas residuales de acuerdo a la NOM-002-ECOL-1996, que establece los lmites mximos

permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de

alcantarillado o municipal, se definen como las aguas de composicin variada provenientes de

las descargas de usos municipales, industriales, comerciales, de servicio, agrcolas, pecuarios,

domsticos, incluyendo fraccionamientos y general cualquier otro uso, as como la mezcla de

ellas.

Tipos de contaminacin

Se puede clasificar la contaminacin del agua de diferentes maneras pero en este caso se

consideran las ms generales y son dos tipos de contaminacin, la natural y la artificial.

Contaminacin natural: es la que existe siempre originada por restos de animales y vegetales y

por minerales y sustancias que se disuelven cuando los cuerpos de agua atraviesan los

diferentes terrenos.

Contaminacin artificial: sta va apareciendo a medida que el ser humano interacta con el

ambiente (contaminacin antropognica) y surge con la inadecuada aglomeracin de laspoblaciones y como consecuencia del crecimiento desmesurado y sin control alguno de

industrias, desarrollo y progreso. Es gravsima, ya que al ser utilizada para lavado, enfriamiento

de equipos, refrigeracin y diversos procesos industriales etctera, el agua regresa a su ciclo con

altos niveles de contaminacin.

Los efectos de la contaminacin del agua afectan ambiente y consecuentemente al ser humano,

debido a que el ser humano la utiliza para sus diversas actividades contaminndola sin tener

conciencia de la importancia de tratarla adecuadamente para volverla a utilizar, esta situacin


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ha ocasionado que la cantidad de agua dulce en el planeta vaya disminuyendo al pasar los das.

(Gutirrez, 2007)

Depuracin de aguas

Es el nombre que se le da a los distintos procesos implicados en la extraccin tratamiento y

control sanitario de los productos de desecho que son arrastrados por el agua y procedentes de

viviendas e industrias.

En el tratamiento de aguas residuales tradicionalmente se tiene un tren de tratamiento en el

cual se reduce la carga de contaminantes del vertido y convertirlo en inocuo para el ambiente.

Parmetros de la calidad de las aguas

Las descargas de agua industrial, de servicios o comercios, deben cumplir con una serie de

parmetros de acuerdo a la normatividad del lugar donde se realice sta. Una de las pruebas

ms importantes de la Demanda Qumica de Oxgeno (DQO), la cual se encontr que es muy

utilizada para evaluar procesos fisicoqumicos de tratamiento de aguas (Gutirrez, 2007) esto

debido a que es una prueba rpida (de 2.5 a 3 horas) sencilla y econmica.

Algunos de estos parmetros se utilizan en el control de procesos de tratamiento realizando

mediciones de forma continua y discreta; se pueden clasificar en cuatro grupos: fsicos,

qumicos, biolgicos y radiolgicos. (Lapea, 1999)

El abastecimiento de agua para uso y consumo humano con calidad adecuada es fundamental

para prevenir y evitar la transmisin de enfermedades gastrointestinales y otras, para lo cual se

requiere establecer lmites permisibles en cuanto a sus caractersticas microbiolgicas, fsicas,organolpticas, qumicas y radiactivas, con el fin de asegurar y preservar la calidad del agua en

los sistemas, hasta la entrega al consumidor. (NOM-127-SSA1-1994)


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Parmetros fsicos

La Tabla 1 muestra la descripcin de lo que son los parmetros fsicos que se consideran para

la calidad del agua.

TABLA 1.- Parmetros fsicos del agua utilizados en el control de procesos (Lapea, 1999)

Parmetro Descripcin

Sabor y olor Son determinaciones organolpticas de determinacin subjetiva, para las

cuales no existen instrumentos de observacin y medicin.

Color Es la capacidad de absorber ciertas radiaciones del espectro visible, no se

le atribuye ningn constituyente exclusivo, aunque ciertos colores en aguas

indican la presencia de ciertos contaminantes, por ejemplo el color

amarillento inducidos por materiales orgnicos como los cidos hmicos, la

presencia de hierro puede darle un color rojizo.

Turbidez Es la dificultad del agua para transmitir la luz debido a materiales

insolubles en suspensin, coloidales o muy finos que presentan

generalmente las aguas superficiales son difciles de decantar o filtrar.

Conductividad y

resistividad

La conductividad elctrica es la medida de la capacidad del agua para

conducir la electricidad, por lo tanto es indicativa de la materia ionizable

total presente en el agua, proviene de un cido, una base o una sal disociada

en iones. La temperatura modifica mucho la conductividad de una solucin.

La resistividad es la medida recproca de la conductividad

Parmetros qumicos

Dureza, pH, alcalinidad, coloides, acidez mineral, slidos disueltos, slidos en suspensin,

slidos totales, residuo seco, cloruros, sulfatos, nitratos, fosfatos, fluoruros, slice, bicarbonatosy carbonatos, otros componentes aninicos, sodio, potasio, calcio, magnesio, hierro, manganeso,

metales txicos, gases disueltos, (Lapea,1999)


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Parmetros biolgicos

La Tabla 2 muestra los parmetros biolgicos utilizados pata el control de procesos y determinar

la calidad del agua.

TABLA 2.- Parmetros biolgicos del agua utilizados en el control de procesos (Lapea,1999)

PARMETRO DESCRIPCIN

Demanda

Bioqumica de

Oxgeno

Se obtiene mediante una prueba emprica estndar y mide la cantidad de

oxgeno utilizado para la biodegradacin de materia orgnica e inorgnica

contenida en una muestra, la prueba usa tiempo fijo de incubacin, en un

perodo 5 das (DBO5) es la ms empleada. Puede medirse el oxgeno

hasta que no haya modificacin alguna en la concentracin de ste, lo que

puede tomar 30 y 90 das de incubacin (DBO ltima). Se determina el

oxgeno disuelto al inicio y al final del tiempo de incubacin

preestablecido, la DBO es la diferencia entre la concentracin inicial y

final del oxgeno.

Carbn Orgnico

Total

Es una medida del contenido de materia orgnica del agua, especialmente

aplicable a pequeas concentraciones; el carbn orgnico se oxida a CO2

en presencia de un catalizador y se mide en un analizador infrarrojo.

Demanda Qumica de Oxgeno (DQO)

Es la medida del oxgeno necesario para oxidar la materia orgnica e inorgnica susceptible de

oxidacin contenida en una muestra, su determinacin se basa en la oxidacin energtica de la

materia orgnica e inorgnica que se encuentra en el agua, en un medio fuertemente cido con

una solucin valorada de dicromato de potasio. Los valores de ste parmetro se asocian al

grado de avance de oxidacin de los contaminantes por lo que la determinacin seriada de la

DQO es una herramienta til de seguimiento del proceso.

La reaccin principal sin balancear para este proceso es la siguiente:

7 +

, +


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CAPTULO II

Generalidades de los procesos electroqumicos

La creciente demanda de la sociedad para la descontaminacin de aguas contaminadas de

diversos orgenes, materializada en regulaciones cada vez ms estrictas, ha impulsado al

desarrollo de nuevas tecnologas de purificacin.

La aplicacin de los mtodos de tratamiento debe tener en cuenta la naturaleza y las

propiedades fisicoqumicas de las aguas o efluentes a tratar. Las aguas contaminadas por la

actividad humana generalmente pueden tratarse eficientemente por plantas de tratamiento

biolgico, por adsorcin con carbn activado u otros adsorbentes o por tratamientos qumicos

convencionales (oxidacin trmica, cloracin, ozonizacin, etc.)

Sin embargo en algunos casos estos procedimientos resultan inadecuados para alcanzar el grado

de pureza requerido por la ley o el uso ulterior del efluente tratado. En estos casos es posible

utilizar un proceso electroqumico el cual actualmente es muy poco aplicado y difundido.

(Curso- taller, CIRA, 2005)

Actualmente los tratamientos de agua residual requieren adaptarse a la legislacin vigente, los

mtodos electroqumicos resultan una interesante opcin al observar las reacciones simultneas

que ocurren mientras se realizan dicho mtodos.

En Mxico, la calidad de las aguas residuales que pueden ser vertidas a los diferentes cuerpos

de agua est reglamentada por las Normas Oficiales Mexicanas (NOM). A continuacin se

explica de manera breve el contenido de cada una de ellas:

NOM-001-SEMARNAT-1996: Trata de los lmites mximos permisibles decontaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales.

NOM-002-SEMARNAT-1996: Trata de los lmites mximos permisibles de

contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o

municipal.

NOM-003-SEMARNAT-1996: Trata de los lmites mximos permisibles de

contaminantes para las aguas residuales tratadas que se reusen en servicio al pblico.


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Principios similares son usados para remover contaminantes de diferente naturaleza usando

algunas tcnicas como se muestra en la Tabla 3:

TABLA 3.- Tratamientos de aguas por mtodos electroqumicos (Barrera, 2003)

TCNICA PRINCIPIOElectrodilisis Emplea bajas corrientes elctricas como agente limpiador. Buen

removedor de flujos de iones metlicos as como componentes

orgnicos, y algunos que contienen contaminantes slidos.

Electrocoagulacin El proceso electroqumico genera numerosos flocs que permiten

alcanzar alta eficiencia en la limpieza del agua residual.

Electro-smosis La electricidad es aplicada para dirigir la migracin de los iones

disueltos en el agua, forzndolos a moverse a travs de los capilares.

La mayora de los procesos electroqumicos pueden aplicarse a la remediacin y

desintoxicacin de aguas especiales a pequea y mediana escala, los mtodos pueden usar se

solos o combinados entre ellos o con mtodos convencionales, pudiendo ser aplicados a

contaminantes de aire y suelos adems permiten la desinfeccin por inactivacin de bacterias y

virus. (Barrera, 2003; Koene and Janssen, 2002)

Los procesos electroqumicos son especialmente tiles como un pretratamiento antes de un

tratamiento biolgico para contaminantes resistentes a la biodegradacin o como proceso

postratamiento para efectuar un pulido de las aguas de la descarga a los cuerpos receptores.

Otra alternativa con los Procesos Avanzados de Oxidacin (PAOs) que consiste en generar el

radical hidroxilo (OH) que por tener un alto potencial redox degrada o mineraliza materia

orgnica refractaria. (HOLT, 2006)

Muchos son los estudios que comprueban la eficiencia de los mtodos electroqumicos y

Procesos de Oxidacin Avanzados (PAOs). (Brillas, et.al., 2003; Spyrkowicz, et. al., 2000;Giomo, et. al., 2000; Bandala, et. al.2002 )

Las ventajas de los procesos electroqumicos son:

No solo cambian la fase del contaminante, sino que lo transforman qumicamente.

Generalmente se consigue la mineralizacin completa del contaminante.

Usualmente se controla la generacin lodos o en ocasiones no hay presencia de stos.

Muy tiles para contaminantes refractarios que resisten otros mtodos de tratamiento.


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Sirven para tratar contaminantes a muy baja concentracin (ppb).

No se forman subproductos de reaccin o se forman en baja concentracin.

Ideales para disminuir la concentracin de compuestos formados por tratamientos

alternativos.

Mejoran las propiedades organolpticas del agua tratada.

Consumen menor energa que otros mtodos.

Permiten transformar contaminantes refractarios en productos disponibles para aplicar

un mtodo ms econmicos como el tratamiento biolgico.

Eliminan efectos sobre la salud de desinfectantes y oxidantes residuales como el cloro.

Se considera un proceso que ayuda a la desinfeccin.

La tecnologa electroqumica contribuye de muchas formas a la purificacin del ambiente ycubre un amplio rango de tecnologa. Por ejemplo, la generacin de energa usando bateras,

celdas electroqumicas, remocin de impurezas de procesos lquidos, aire y tierra, reciclando las

corrientes de los procesos y los sensores. La electroqumica ambiental abarca tcnicas o

mtodos que remueven impurezas para prevenir o minimizar la contaminacin ambiental;

particularmente emisin a la atmsfera, descargas contaminantes en aguas y disposicin de

slidos en suelos.

Para comprender adecuadamente los procesos de electroqumica a continuacin se presentanalgunos fundamentos.

Electroqumica

Durante la dcada pasada, algunos investigadores se han dado a la bsqueda de mejores

tecnologas aplicables en el tratamiento de aguas residuales, es as como las tcnicas

electroqumicas han ganado especial atencin, sobre todo en los pases desarrollados. (Aplin

and Waite, 1998; Ibaez et. al., 1998; Mollah, 2001; Can et.al, 2003)

stas se han aplicado para la remocin de grandes cantidades de sustancias fundamentalmente

orgnicas e inorgnicas, ya que las reacciones involucradas, facilitan la oxidacin de los

contaminantes y permiten el eficaz aprovechamiento de la energa puesto que se puede

controlar adecuadamente la cantidad que se necesita aadir al sistema lo que resulta en una

menor cantidad de lodos producidos. Una ventaja adicional a lo anterior, es que este tipo de

metodologas tienen tambin cuantiosos efectos bactericidas. (Rajeshwar et.al., 1994; Brillas

and Casado, 2002)


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20

Es el estudio de las relaciones entre la electricidad y las reacciones qumicas, es decir es la

rama de la qumica que estudia los cambios qumicos que produce una corriente elctrica y la

generacin de electricidad mediante reacciones qumicas. (Brown and Lemay, 2004)

Los procesos electroqumicos son reacciones redox (reacciones de oxidacin -reduccin)

donde la energa liberada por una reaccin espontnea se transmite en forma de electricidad, o

bien; la electricidad se utiliza para inducir una reaccin qumica no espontnea a lo cual se le

conoce como electrlisis. (Chang, 1998)

Antes de abordar las tecnologas electroqumicas, es necesario explicar de manera general en

qu consisten los cambios qumicos de oxidacin-reduccin, para que de este modo sea ms

fcil la compresin de las reacciones que ocurren en las aguas residuales que son sometidas a

este tipo de tratamientos.

Reacciones de oxidacin reduccin (reaccin redox)

Son las reacciones en las que un material se oxida y otro se reduce, con un cambio neto de cero

en el balance elctrico del sistema debido a que hay el mismo nmero de cargas negativas y

positivas. (Kemmer and Mc Callion, 1997)

En toda reaccin redox debe haber una especie qumica que se oxide y otra que se reduzca,

decir; si una sustancia que pierde electrones se oxida y la que gana electrones se reduce. La

sustancia que hace posible que otra sustancia se oxide es el agente oxidante y este entonces se

reduce, por el contrario, un agente reductor es una sustancia que cede electrones y entonces se

oxida. (Brown and Lemay, 2004)

Sea cual fuere el proceso redox (donde la energa liberada por la reaccin espontnea se

convierta en electricidad o la energa elctrica se aproveche para provocar un cambio noespontneo), se presenta una modificacin en el estado de oxidacin de las especies

involucradas. (Kiely, 1999)

Especie Oxidada + ne- Especie Reducida

Donde ne- representa la transferencia de n unidades de carga e-, de tal modo que un

sistema completo de oxidacin-reduccin, est formado por un par de semirreacciones

individuales:


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21

Ox1 + ne- Red1

Red2 - ne- Ox2

Por lo tanto la reaccin completa es:

Ox1 + Red2 Red1 + Ox2

En electroqumica es importante resaltar que las reacciones en una celda las cuales son llamadas

semirreaciones por lo que se explica en el siguiente texto.

Celda electroqumica

Es un dispositivo que posee dos electrodos sumergidos en una solucin electroltica apropiada,

su aplicacin ms comn es la galvanotecnia y tambin es usada en los procesos

electroqumicos. La Figura 1 muestra un esquema bsico de una celda electroqumica.

(Molera, 1989)

Figura1. - Esquema bsico de una celda electroqumica. (Molera, 1989)

Con su utilizacin, se persigue maximizar el transporte de masa desde las especieselectroactivas hasta la superficie tanto del ctodo como del nodo. Bsicamente consisten de un

contenedor para la solucin conductora (llamada celda), los electrodos y las conexiones externas

entre stos y la fuente de poder o potencimetro.

Muchas caractersticas de una celda electroqumica se pueden explicar en funcin de si la

reaccin qumica es o no espontnea y de los requerimientos de conduccin de electrones a

travs del circuito, en donde es necesario evitar la acumulacin de carga en cualquier punto del

sistema.


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Es importante recordar que los electrodos al ser metlicos poseen la caracterstica de ser buenos

conductores de calor y electricidad, presentan el efecto fotoelctrico que consiste en la emisin

de electrones cuando son sometidos a la radiacin de una determinada energa y; de acuerdo a la

Teora del mar de electrones los electrones se mueven con libertad por todo el metal entre los

iones positivos, lo que les da una alta conductividad elctrica al aplicarles un potencial elctrico.

Lo anterior ocasiona que puedan combinarse unindose a especies inestables que posean carga

positiva y con ello el desgaste de las placas del electrodo. En la Figura 2 se muestra una celda

con electrodos de hierro y aluminio, primero con agua del grifo y luego de un tiempo de

aplicarle corriente se forma un precipitado de color caf, dado que existe una reaccin la cual

el promovida por la presencia de iones en el agua.

Figura 2. Celda con electrodos de aluminio y hierro que con agua solamente a) y luego de someterla a una

determinada corriente provoca un precipitado de color caf b) (Chang, 2006)

De acuerdo con ello existen dos tipos de dispositivos electroqumicos, los cuales son:

Celdas galvnicas:en stas se da la transformacin de energa obtenida durante una reaccin

qumica a energa elctrica, con el consiguiente movimiento de los electrones.

Celdas electrolticas: son las ms empleadas en estudios electroanalticos, su funcionamientose basa en la transformacin de energa elctrica a energa qumica, cuando la primera se aporta

por medio de un generador de voltaje externo a travs de una diferencia de potencial. (Nez

and Pelez, 1997)

Para ambos casos, resulta importante considerar las cargas en los electrodos: en el nodo de una

celda galvnica (donde la oxidacin es espontnea) hay un exceso de e-, contrariamente en una

celda electroltica (en la cual el proceso de oxidacin es forzado) existe una pequea cantidad

de e-y por ende, carga positiva, de tal manera que los signos se invierten.

ba


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Independientemente del tipo de celda electroqumica de la que se trate, la interfase ctodo y/o

nodo-electrolito es el componente ms importante, ya que funciona como vnculo entre el

conductor electrnico (electrodo) y el inico (electrolito). Al mismo tiempo sirve para

completar el circuito elctrico limitando sus propiedades la respuesta de la celda y su funcin

como sensor analtico. (Brett y Oliveira, 1994)

Electrolitos

Es posible clasificar a los solutos segn si existen o no como iones en disoluciones acuosas, los

que se encuentran como iones en las soluciones acuosas se denominan electrolitos, por ejemplo

el cloruro de sodio tiene iones de Na y Cl , esta sustancia se disuelve en agua para formar los

iones hidratados de Na+ y Cl- y se dice que los compuestos que se ionizan (o disocian) por

completo en el agua son electrolitos fuertes. La mayora de las sales son electrolitos fuertes,

algunos metales pesados forman electrolitos dbiles, la mayora de los cidos son electrolitos

dbiles. (Brown and Lemay, 2004)

Se le conoce as a las soluciones inicas, y esta existen cuando el agua disuelve a un mineral, lo

que sucede es que el mineral sufre una ruptura en forma de aniones y cationes con carga

negativa y carga positiva respectivamente. Dichos iones le dan al agua la capacidad de conducir

la electricidad, ya que si se sumergen dos electrodos en la solucin electroltica y se aplica una

corriente continua entonces habr conduccin de electricidad por la forma en que se comportan

los iones en solucin. (Kemmer and Mc Callion, 1997)

Cuando ambos sistemas electroqumicos se acoplan, un electrodo suministra los electrones y el

otro los admite. Mediante la variacin del potencial aplicado a travs de la fuente externa, se

puede controlar de manera precisa la proporcin en la cual las cargas elctricas sonintercambiadas. Esto puede ocurrir a travs de dos diferentes mecanismos mediante una

transferencia forzada (situacin que se presenta en las celdas electrolticas) o de manera natural

como sucede en las bateras y celdas galvnicas. (Pletcher, 1991; Crow, 1994; Chang, 1999)

Con estos conceptos es ms fcil explicar los procesos electroqumicos que suceden en una

celda de electrolisis como la electrocoagulacin que se presenta a continuacin.


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Electrocoagulacin

En esencia la electrocoagulacin es un mtodo electroqumico que involucra la generacin de

coagulantes in situ por disolucin elctrica de los iones Al 3+ o Fe2+ de sus respectivos

electrodos. La generacin de los iones metlicos toma lugar en el nodo, mientras que en el

ctodo se lleva a cabo la liberacin de hidrgeno. El gas hidrgeno liberado podra ayudar a la

flotacin de los flculos fuera del agua, este proceso es llamado electroflotacin. (Chen, 2004;

Holt, et. al. 2005)

La corriente elctrica suministrada proporciona al sistema la fuerza electromotriz (FEM) que

desencadena una serie de reacciones que buscan desestabilizar las molculas contaminantes,

produciendo partculas slidas menos coloidales y menos emulsionadas o solubles. Esto ocurre

cuando los contaminantes forman componentes hidrofbicos que se precipitan o flotan,

facilitando su remocin por algn mtodo de separacin secundario. (Lai and Lin,, 2004; Holt,

et. al. 2006)

El proceso de electrocoagulacin es utilizado en la remocin de contaminantes de diversos

orgenes, tales como la industria de la galvanoplastia, industria del papel, industria metalrgica

en la eliminacin de trazas de plomo, cromo, mercurio y arsnico, de igual manera es utilizado

en la remocin de grasas y aceites provenientes de la industria petroqumica, efluentes de la

industria textil y alimentaria y finalmente en los ltimos aos ha sido utilizada para la remocin

de contaminantes en aguas de consumo humano. (Mollah et. al., 2001)

La electrocoagulacin presenta una novedad y una alternativa innovadora en la cual existe un

sacrificio del metal en el nodo. Esta es la mayor ventaja de proveer cationes activos requeridos

para la coagulacin, sin un incremento de salinidad en el agua.

Electrocoagulacin involucra la oxidacin del metal del nodo con la formacin simultnea de

iones hidroxil y la formacin de hidrgeno gaseoso en el ctodo. La electrocoagulacin ha sidopropuesta como un mtodo de tratamiento de aguas. En 1909 en los Estados Unidos, J. T

Harries recibi la patente por tratamiento de aguas residuales por medio de la electrlisis con el

empleo de nodos de hierro y aluminio (ecuacin 1 y 2).

+ (1)

20 2 2 (2)


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Matteson describe en los 40s el Coagulador Electrnico con disolucin electroqumica de

Al (del nodo) en solucin, la reaccin de este ion hidroxil (del ctodo) resulta en la formacin

de hidrxido de aluminio. El hidrxido flocula y coagula los slidos suspendidos purificando el

agua. Un proceso similar fue utilizado en Inglaterra en 1956 donde se utilizaron electrodos de

hierro en el tratamiento de agua de ro.

El proceso de electrocoagulacin en la actualidad ha recobrado gran inters debido a la amplia

posibilidad de aplicaciones y las ventajas que presenta ante los procesos de tratamiento de

efluentes convencionales, entre las cuales se pueden mencionar:

Los equipos son simples y de fcil operacin

Elimina uso o reduce los productos qumicos

Alta efectividad en la remocin de un amplio rango de contaminantes

Purifica el agua y permite su reciclaje

Genera lodos mas compactos y en menor cantidad

Los contaminantes son elevados a la superficie del agua por las burbujas, donde pueden

ser removidos con facilidad

El agua trata por electrocoagulacin contiene menor cantidad de slidos disueltos, los

cual reduce el costo de tratamiento en caso de tratarse de efluentes de reuso.

Sin embargo presenta algunos inconvenientes los cuales estn relacionados con el suministro

de energa y la vida de los electrodos.

Puede ser un tratamiento costoso si no de suministra correctamente la energa elctrica

Es necesario reemplazar los electrodos debido a su sacrificio

El xido formado en el nodo, en ocasiones puede disminuir la eficiencia del uso de

energa elctrica y del proceso. (Chen, 2004; Holt, et. al.,2005)

En la actualidad la electrocoagulacin es regida por un pequeo nmero de compaas

alrededor del mundo, una gran variedad de diseos han sido probados pero no existe un diseo

predominante.

Pero es claro que la electrocoagulacin tiene la capacidad de remover una gran cantidad de

contaminantes bajo condiciones especficas en el contenido de: slidos en suspensin, metales

pesados, productos derivados del petrleo, color, etc.


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La electrocoagulacin se ve claramente influenciada por variables como el pH, el tipo y la

concentracin del contaminante, la estabilidad del floculo y los aglomerados. El mecanismo

dominante que se presenta en este tipo de reacciones es el siguiente: (Holt, 2006)

Figura3. Mecanismo en el reactor electroqumico (Holt, 2006)

Una corriente de agua es pasada a travs de un electrodo del metal correspondiente oxidando

el metal (M) a su catin (Mn+) (ecuacin 1), simultneamente el agua es reducida a hidrgeno

gas y al ion hidroxil (OH-)(ecuacin 2).

Los cationes hidrolizados en agua forman un hidrxido con las especies determinadas por el

pH en solucin. Ecuaciones 3-6 ilustran lo anterior para el caso de aluminio.

+ + + (3)

pH +

()

+ + (4)

()+ ()

+ (5)


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27

() ()

+ (6)

Durante la electrocoagulacin mediante el uso de electrodos de aluminio, ocurren

fundamentalmente tres procesos:

1. Reacciones electrolticas en la superficie de los electrodos, las cuales se observan en las

siguientes ecuaciones:

nodo: Al0 Al3+(ac) + 3e- oxidacin

Ctodo: 3H2O + 3e- 3/2 H2 + 3OH- reduccin

2. Si el potencial andico es suficientemente alto: formacin de sustancias coagulantes en

la fase acuosa.

3. Adsorcin o precipitacin de los contaminantes coloidales o solubles, sobre los

coagulantes electrogenerados y su posterior remocin por sedimentacin o flotacin.

Constitucin y construccin de un reactor electroqumico

La base terica para disear un reactor es la cintica de la reaccin, el estudio de una reaccin

qumica puede hacerse desde el punto de vista termodinmico o el cintico; el estudio

termodinmico permite conocer la posicin en la cual la reaccin alcanzar el equilibrio,

mientras el estudio cintico permite conocer la velocidad con la que ocurre la reaccin qumica.

Si la reaccin es reversible, entonces la velocidad est en funcin de la concentracin de los

reactivos.

Ley de accin de masas: la velocidad a la que se produce una reaccin qumica es proporcional

a la concentracin de cada uno de los reactivos, todo esto considerando que todas las reacciones

son reversibles.

En cuanto al enfoque termodinmico, un sistema est en equilibrio si cualquier desplazamiento

por pequeo que sea causa un aumento de energa o disminucin de entropa.


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Y se llega a un punto en el que la velocidad de reaccin directa es igual a la velocidad de

reaccin inversa, llegando a un equilibrio dinmico (estudiado por Gibbs), de acuerdo a la

reaccin:

Existen diferentes diseos de reactores electroqumicos que operan en lote o de manera

continua pueden estar elaborados con electrodos de aluminio o hierro, electrodos de malla o

electrodos en forma de plato. (Holt et. al, 2002)

En el caso del reactor tipo batch o el lote, ste opera a un volumen definido de agua a tratar en

un ciclo y generalmente los reactivos son precargados, por lo que tiene la ventaja de ser de fcil

operacin y bajo costo para el tratamiento localizado de aguas, tienen como desventaja las

condiciones del sistema cambian respecto al tiempo (temperatura, pH).

Otra cuestin importante en el diseo de un reactor es el uso de la flotacin o sedimentacin

para la separacin del contaminante una vez que se ha realizado el proceso de coagulacin. Son

llamados reactores solo de coagulacin aquellos que no aprovechan las burbujas liberadas en la

electrocoagulacin para separa los agregados del contaminante por flotacin, mientras que los

reactores en los que se aprovechan las burbujas generadas para realizar este proceso reciben el

nombre de reactores de coagulacin y flotacin. (Holt et. al, 2005)

Electrolito soporte

El uso de un electrolito soporte el cual funcionar como catalizador, cabe mencionar que

existen catalizadores slidos no soportados y catalizadores slidos soportados (Figura4).


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Figura4. Preparacin de catalizadores

Dentro de los catalizadores slidos soportados se tiene que en fase acuosa se utiliza un

procedimiento mecnico para activarlo mediante un proceso qumico y que ste funcione, tal es

el caso del soporte de precursores disueltos en fase acuosa donde se encuentra el de intercambio

inico que consiste en tomar un soporte que contenga iones y se sustituyen esos cationes o

aniones por lo que se quiere soportar.

El reactor electroltico, donde se realiza la electrocoagulacin, es un recipiente de termoplstico

como en que observa en la Figura 5, consta de una fuente de energa para inducir la corriente

elctrica y de electrodos dispuestos en forma intercalada dentro del reactor, stos van cubiertos

por el agua a tratar. El material de los electrodos vara de acuerdo al tipo de sistema utilizado,

stos pueden ser de aluminio, cobre acero o aleaciones de aluminio y magnesio. Los electrodos

son de sacrificio, segn Faraday, debido a que en el proceso electroltico desprenden en el agua

iones que desestabilizan los coloides. (Holt et. al, 2002; Caizares et. al., 2006; Molera, 1989)

Catalizadores slidos NO

soportados:

Mezcla L-L

Mezcla S-S

Mezcla S-L

Transformaciones

Catalizadores slidos

soportados:

Fase acuosa

Fase orgnica

Fase vapor

Fase slida

Procedimientos mecnicos

Activacin mediante

procesos trmicos y

qumicos

Catalizador final


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Figura5. Reactor conectado a la fuente de poder, vista de los electrodos y distancia entre ellos (I. Linares-Hernndez

et al., 2007)

En los electrodos se generan microburbujas de hidrgeno y oxgeno que chocan y se adhieren a

los flculos, arrastrndolos a la superficie del lquido donde se forma una espuma que puede ser

removida mecnicamente. Tambin las burbujas dentro del reactor ayudan a que los

contaminantes floten. (Morante, 2002)

Las propiedades fisicoqumicas de los contaminantes, por ejemplo de los iones orgnicos e

inorgnicos son probablemente electroprecipitados mientras que los slidos suspendidos son

adsorbidos por el coagulante. (Holt et. al, 2002)

Es muy importante el diseo del reactor ya que de las caractersticas de ste depende la

eficiencia del proceso. En general entre menor es la distancia entre los electrodos mayor ser la

actividad de las molculas involucradas en la reaccin electroqumica. En la Figura 6 se

muestran las dimensiones de las placas montadas en el reactor electroqumico de electrodos dehierro, primero (inciso a) se observa la vista frontal de la placa y en el inciso b) se observa el

espesor de la placa utilizado en el reactor 2 con electrodos de hierro. (Robinson 1974)


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Medidas de la placa de hierro

Espesor de la placa de hierro

Figura6- Vista de las placas de hierro por la que pasa la corriente elctrica.

Mecanismo de funcionamiento en el reactor

Se han utilizado diversos reactores electroqumicos para este estudio los cuales funcionan

debido a los principios de una celda electroqumica y Leyes de Faraday y se diferencian por el

material de los electrodos. (Molera, 1989)

El tratamiento electroqumico consiste en hacer pasar una corriente de 2A en los electrodos

sumergidos en el agua residual el llamado nodo de sacrificio se desgasta liberando iones

ferrosos (Fe2+) el agua, desestabilizando as coloides que permiten que se remueva la materia

suspendida y coloidal del agua residual, ya que los iones Fe2+ reaccionan con los sulfuros y


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sulfatos formando compuestos insolubles que son eliminados del agua residual por el efecto

de las pequeas burbujas de hidrgeno y oxgeno producidas durante la hidrlisis del agua, las

cuales tienen un tamao promedio de 100 micrmetros, stas de adhieren a las partculas

suspendidas y las arrastran hasta la superficie del volumen de control formando una espuma

que puede ser removida por medios mecnicos; este proceso es conocido como

electroflotacin.(Martnez., 2004)

Es importante considerar que en aguas dulces los coloides se estabilizan por sorcin de materia

orgnica que les impone una gran carga negativa, la floculacin y la agregacin (coagulacin)

se da pues la fuerza inica y las concentraciones de Ca+ y Mg+ neutralizan parcialmente la

carga negativa superficial. (Rodrguez, Mellado Et. Al. 1999)

Adems de que la electroflotacin tiene sus bases en la coagulacin floculacin. As como

tambin el mecanismo se basa en los principios de las Leyes de Faraday y la electroqumica,

donde se tiene un nodo de sacrificio que es el que desgastar durante el proceso para formar las

partculas coloidales que permiten remover el color del agua residual.

Leyes de Faraday relativas a la electrolisis (anexo 1)

Primera: Las cantidades de sustancia separada por electrlisis son proporcionales a la cantidad

de electricidad que atraviesa la disolucin.

mS= A

Donde:mS= masa de la disolucinA= amperesSegunda: La masa depositada de una sustancia es directamente proporcional al equivalente

qumico del in, es decir, al peso atmico del in dividido por su valencia.

mD= (peso atmico ion) /valencia

Donde:

mD= masa depositada

Este proceso explicado por Faraday tiene dos partes la primera mitad es la electrodeposicin o

galvanotecnia y la otra es el desprendimiento de partculas de metal.


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Estas leyes cumplen rigurosamente con el patrn internacional para la medida de la unidad de

corriente elctrica, el amperio, se basa en estas leyes. La intensidad de un amperio es aquella

corriente invariable que en un segundo de tiempo deposita 0.00111815 gramos de plata de una

disolucin de nitrato de plata. La relacin entre la masa de la plata depositada y la corriente es

rigurosamente lineal, con que es posible calcular la cantidad de material desprendido o

depositado, cuando el proceso se acelera debido al paso de una corriente mucho ms

intensa.(Molera, 1989)

En una celda electroqumica la energa qumica se transforma en energa elctrica. Lo cual se

relaciona en la siguiente expresin:

=

=

=

Donde:

z: es el nmero de oxidacin del ion formado

F: constante de Faraday igual a 96500

Q: carga (C)

t:tiempo (s)

n:nmero de moles

i: intensidad de corriente (A)

Para evaluar el funcionamiento de las celdas electroqumicas es importante estudiar con que

velocidad se eliminan los contaminantes, a continuacin se presenta un resumen de este tema.

Velocidad de las reacciones electroqumicas

Recordando que una reaccin qumica es un proceso mediante el cual se genera un cambio

qumico, y que ste ocurre con diferente velocidad, es entonces que se define a la velocidad de

reaccin como el cambio en la concentracin de un reactivo o de un producto respecto al tiempo

(M/s).

De manera general en una reaccin qumica AB se puede hablar de una disminucin en la

cantidad de molculas de A y el incremento de molculas de B respecto al tiempo, es decir:

=

o =


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Donde [A] y [B] son los cambios en la concentracin (molaridad) en un determinado

periodo t, debido a que la concentracin de A disminuye en un determinado tiempo [A] es

una cantidad negativa, por otro lado la velocidad de reaccin o en este caso la velocidad de

formacin de B en una cantidad positiva (Figura 7). Estas velocidades son velocidades

promedio porque representan en promedio en cierto periodo t. (Chang, 1999)

Figura 7. Velocidad de una reaccin AB

Experimentalmente la velocidad de una reaccin se mide por la concentracin del reactivo o delproducto como una funcin de tiempo. Para las reacciones en disolucin, la concentracin de

algunas especies se puede medir por mtodos espectroscpicos. Si estn involucrados iones

tambin se puede medir por conductividad elctrica. Al utilizar mtodos espectroscpicos se

realizan graficas de absorcin (eje vertical) contra longitud de onda (eje horizontal).

Cabe destacar que cada molcula en movimiento posee energa cintica y cuanto ms rpido se

mueva sta ser mayor. Pero una molcula que se mueve con rapidez no se romper en

fragmentos por s misma. Para reaccionar debe chocar con otra molcula. Cuando las molculas

chocan parte de su energa cintica se convierte en energa vibracional. Si la energa cinticainicial es grande, las molculas que chocan vibrarn tan fuerte que se rompern algunos enlaces

qumicos. Esta fractura es el primer paso hacia la formacin del producto. Si la energa cintica

inicial es pequea, las molculas rebotarn entre s intactas. Pues las fuerzas intramoleculares

de los enlaces en las sustancias requieren de una gran cantidad de energa comparada con la

requerida para la misma sustancia en sus fuerzas intermoleculares.

Para que haya una reaccin, las molculas que chocan debern tener una energa cintica total

igual o mayor que la energa de activacin (Ea), que es la mnima cantidad de energa que se


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requiere para iniciar una reaccin qumica. Cuando las molculas chocan forman un complejo

activado, una especie formada temporalmente por las molculas de los reactivos, como

resultado de la colisin antes de formar el producto. (Chang, 1999)

El complejo activado es una especie inestable porque tiene una energa superior tanto a la de

los reactivos como a la energa de los productos.

Con base en lo anterior el objetivo es la eliminacin de un colorante artificial comestible

utilizando electrodos de hierro y aluminio para aplicar un tratamiento de electrocoagulacin,

con la finalidad de dar una alternativa para eliminar color en medios acuosos.

HIPTESIS

Empleando un tratamiento electrocoagulacin ser posible degradar en un 90% el color presente

en el agua sinttica con colorantes en un reactor tipo batch.

OBJETIVOS

1. Construir dos reactores electroqumicos: uno con electrodos de aluminio y otro con

electrodos de hierro.

2. Realizar en cada reactor pruebas de remocin de color en agua sinttica.

3. Caracterizacin fisicoqumica del agua sinttica antes y despus del tratamiento.

4. Obtener las mejores condiciones de tratamiento en la eliminacin de color evaluando

corriente, pH y tiempo de tratamiento.


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CAPTULO III

Metodologa

Tomando como sustento el fundamento cientfico adoptado por la norma oficial, para la

determinacin de la DQO en las muestras de agua residual, y sin tener que hacer uso de

reactivos de elevado costo, la marca HACH pone a disposicin una alternativa sencilla y

econmica de determinar la DQO; la cual consiste en tubos de ensayo que contienen una

cantidad especfica de los reactivos necesarios para oxidar la materia orgnica presente en la

muestra, la cual se somete a un proceso de digestin durante dos horas, se cuantifica con un

espectrofotmetro UV-Vis, a una determinada longitud de onda, para obtener as los mg/L de

materia contaminante presente en la muestra (Gutirrez, 2007)

La metodologa que se sigui se muestra en la Figura 8, en el cual puede apreciarse de manera

general los pasos del desarrollo experimental, que se siguieron de acuerdo a los tratamientos A,

B y C que se describen en esta seccin y los cuales ayudarn a la caracterizacin del agua

sinttica a tratar.

En cuanto a la espectrofotometra UV-Vis, es una tcnica analtica, la cual est basada en la

medicin de la radiacin UV o visible por determinadas molculas; la radiacin correspondiente

a estas regiones del espectro electromagntico provoca transiciones electrnicas a longitudes de

onda caractersticas de la estructura molecular de un compuesto. (Gutirrez, 2007)


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Figura 8.- Metodologa utilizada para el tratamiento.

Tratamiento B: realizar dos tratamientos por 30

minutos: 1) usando electrolito soporte (sulfato

de sodio anhidro, Na2SO4) en uno y 2) no

usando electrolito soporte

Tratamiento A: realizar

tratamientos a 3, 4, 5, 6, 7 y 8 A

por 30 minutos respectivamente.

Registrar resultados.

Tratamiento C: Realizar pruebas a

diferentes pH: 2, 4, 6 y 8.

Registrar resultados.

Realizar pruebas al pH

ptimo y en cada una tomar

muestra inicial, final e

intermedia. Determinar

DQO. Anotar resultados.

Construir curva de

calibracin y seleccionar

longitud de onda

apropiada.

Preparar

curva de

calibracin a

pH neutro

Diseo y

construccin del

reactor

electroqumico

A cada una de las muestras

tomadas, medir absorbancia y

determinar DQO


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Materiales

La Tabla 4 muestra la descripcin de los materiales utilizados en el tratamiento electroqumico.

TABLA 4. Materiales utilizados y sus caractersticas

Material Caractersticas ObservacionesReactor electroqumico 1 Elaborado en recipiente de

plstico(HPDE) y electrodos

de aluminio

Elaboracin propia

Reactor electroqumico 2 Elaborado en recipiente de

plstico(HPDE) y electrodos

de hierro

Elaboracin propia

Potencimetro OAKTON Waterproof 300

series

Espectrofotmetro UV-Vis Lamba 25 de Perkin Elmer

Espectrofotmetro HACH DR/3000 Mide porcentaje de

transmitancia, absorbancia,

concentracin.

Digestor HACH

Reactivos

En la Tabla 5 es posible observar las caractersticas de los reactivos utilizados para obtener la

caracterizacin del agua residual mediante el tratamiento electroqumico.

TABLA 5. Reactivos utilizados y sus caractersticas

Reactivo Caractersticas Observaciones

Agua potable pH 7, 20C Contiene iones Cl-

Agua destilada pH 7, 20C

cido sulfrico PM 98g/mol 95 % vol. Solucin [1M]Sulfato de sodio anhidro PM 142.048 g/mol Solucin [1M]

Hidrxido de sodio PM 40 g/mol Solucin [1M]

Colorantes azul y amarillo Solucin concentrada frasco

gotero Mc Kormick

1.61 % vol.


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Parmetros de control

Concentracin del colorante, pH, un factor importante es la distancia entre los electrodos, ya

que dicha distancia afecta drsticamente en la velocidad de disolucin del nodo de sacrificio.

El pH inicial se ajusto previo al tratamiento y se estuvo ajustando durante el tratamiento, as

como al final de este para que el agua tuviese las caractersticas de la Tabla 6; dicho control se

llevo a cabo con dos soluciones: cido sulfrico (H2SO4) e hidrxido de sodio NaOH ambos en

concentraciones uno molar (mol/L).

Caracterizacin fisicoqumica del agua sinttica

En la caracterizacin fisicoqumica del agua sinttica es necesario realizar una serie de pruebas

en las cuales se deben tomar en cuenta los parmetros que demanda la calidad del agua tales

como pH, DQO, color, etctera. Los parmetros de control utilizados en el tratamiento

electroqumico se muestran en la Tabla 6.

Tabla 6. Resumen de parmetros fisicoqumicos del agua sinttica

Parmetros antes del

tratamientoValor

Parmetro despus

del tratamientoValor

Concentracin del

colorante (g/mL)1.17 E-06

Concentracin del

colorante0

pH 4.0 pH 7.0

DQO 179 DQO 0

Curva de calibracin

Las curvas de calibracin son determinadas experimentalmente preparando una serie de

soluciones de concentracin conocida y midiendo la absorbancia de cada una de ellas, con los

datos obtenidos se construyen curvas absorcinconcentracin. (Robinson, 1974)

Es necesario preparar soluciones a diferentes concentraciones, a las cuales se les determinar la

absorbancia, dato que servir posteriormente para el clculo de la concentracin del colorante en

la disolucin patrn para conocer el valor numrico de la concentracin del colorante en las

disoluciones preparadas. Se recomienda hacer un barrido para elegir la longitud de onda


40/74

40

adecuada a la que se va a trabajar, pero en este caso se realiz el barrido completo en todas las

longitudes de onda para cada una de las muestras preparadas.

El procedimiento a seguir para construir la curva de calibracin es el siguiente:

1. Preparar una solucin patrn de 100 mL de agua y 600 microlitros de colorante azul.

Donde la concentracin resultante es de 9.7 x 10-5 g mL-1.

2. En un vaso de precipitados colocar 10 mL de agua, agregar a este volmenes sucesivos

de 100 microlitros de colorante con una concentracin de 9.7 x 10-5 g mL-1para obtener

9 puntos. Mantener el agua en agitacin.

3. A cada adicin se lee la absorbancia.

Clculo de la concentracin del colorante

La curva de calibracin fue diseada con dilucin por lo que es necesario calcular las

concentraciones en cada adicin como se muestra en la siguiente ecuacin:

Concentracin del colorante = ((9.7 x 10-5 g mL-1)* volumen muestra)/(volumen inicial +

volumen muestra )

Diseo y construccin de la celda electroltica

Reactor con electrodos de aluminio

En la construccin de la celda se utiliz un recipiente de plstico de 0.5 L de capacidad y 8

placas de hierro de 10 cm de ancho y 5 cm de alto, conectada a una fuente de poder.

Figura 9. Dimensiones de las placas de aluminio para la celda de tratamiento.

5cm

10cm

25cm

4mm


41/74

41

Las barras de aluminio que sostienen las placas tienen un espesor de 0.4 cm. La distancia entre

las placas es de 4 cm. Tiene un espacio libre de 3cm sin placas en uno de los extremos para

permitir la insercin del potencimetro y el muestreo; y un espacio entre las placas y el fondo

de la celda.

Figura 10. Disposicin de las placas de aluminio en la celda de tratamiento.

Reactor con electrodos de hierro

En la construccin de la celda se utiliz un recipiente de plstico de 0.5 L de capacidad y 6

placas de hierro de 10 cm de ancho y 10 cm de alto, conectada a una fuente de poder.

Figura 11. Dimensiones de las placas para la celda de tratamiento.

Las barras de hierro que sostienen las placas tienen un espesor de 0.4 cm. La distancia entre las

placas es de 1.2 cm. Tiene un espacio libre de 2 cm sin placas en uno de los extremos para

permitir la insercin del potencimetro y el muestreo; y un espacio entre las placas y el fondo

de la celda.

10cm

10cm

20cm

4mm


42/74

42

Figura 12. Dimensiones de las placas para la celda de tratamiento.

Una corriente elevada provoca que las soluciones se calienten excesivamente. Para que el

sistema opere adecuadamente por un largo periodo, es recomendable que la densidad de

corriente no exceda en el rango de 0.5 a 300 mA cm-2 (Holt, 2003).

Para los fines del diseo experimental se calcularon densidades de corriente de 4.6 y 3.5 mA

cm-2 para los reactores con electrodos de aluminio e hierro respectivamente, usando las

frmulas de la Tabla 7.

Tabla 7. Frmulas para el clculo de la densidad de corriente de los electrodos

Parmetro Smbolo Frmula

Densidad de corriente (mA cm-2) i / S

rea de la placa (cm2) Ap Ap B h

rea del orificio (cm2) Ao Ao D24

rea efectiva de cada placa (cm2) Ae Ae ApAo

rea efectiva total de las placas (cm2) Aet Aet Ae (# de placas)

rea del tubo (cm2) At At 2 r L

rea superficial del electrodo (cm2) S S Aet + At

Donde: i (intensidad de corriente elctrica), B (base), h (altura), D (dimetro), r (radio) y L

(longitud).


43/74

43

Pruebas realizadas en el tratamiento

TRATAMIENTO A.- En esta prueba se consideran para ambos casos diferentes intensidades

de corriente (2, 4, 6, y 8 amperes) durante un tiempo de tratamiento de 30 minutos, para

comparar y obtener la intensidad de corriente adecuada para ambos reactores.

TRATAMIENTO B.- Esta prueba consiste en la adicin de un electrolito como soporte

(Na2SO4, sulfato de sodio) el cual estar actuando como catalizador en la disolucin acuosa, y se

realiza con la finalidad de conocer si es necesario utilizarlo en el proceso que se efectuara en

los reactores ya mencionados.

TRATAMIENTO C.-En estos experimentos se pretende encontrar un pH ptimo al cual se

obtenga una remocin de color del 90% en el menor tiempo posible considerando que la

velocidad de reaccin estar dada por el negativo del diferencial de concentracin de reactivos

respecto al tiempo expresando as la conversin de reactivos en productos y con ello la

remocin del contaminante que en este caso es el color (NMX-AA-008-SCFI-2001)

Para determinar las condiciones ptimas del tratamiento por electrocoagulacin en un reactor

electroqumico tipo batch fue necesario controlar parmetros tales como la intensidad de

corriente, pH, DQO, as como la distancia entre las placas

Evaluacin de pH

Para la evaluacin de los parmetros del agua sinttica se midieron estos en el agua sin tratar y

en el agua ya tratada, para el pH se considera la NMX-AA-008-SCFI-2000 que implica el

mtodo que se fundamenta en la existencia de una diferencia de potencial entre las dos caras de

una membrana de vidrio (electrodo), expuestas a disoluciones acuosas que difieren en su valor

de pH. El electrodo cuyo potencial depende del pH de la disolucin en la que se sumerge, est

constituido por un tubo de vidrio de alta resistencia cuya extremidad es de vidrio especial enforma de bulbo que contiene una disolucin interna de pH invariable en la que se encuentra

sumergido un electrodo interno de referencia.

Determinacin de la demanda qumica de oxgeno (DQO)

El equipo HACH se utiliz para determinar la DQO presente en el agua antes de realizar el

tratamiento, durante y despus de ste, las muestras se tomaron en intervalos de 5 minutos, y a


44/74

44

cada muestra se le realiz el procedimiento correspondiente. Se coloc una alcuota de 3mL de

muestra en los tubos HACH especialmente diseados para determinar la DQO; se agit y luego

se colocaron las muestras por lotes en el digestor HACH, el digestor trabaja por un periodo de

2 horas, al finalizar el proceso de digestin se dejaron enfriar las muestras para luego leer el

valor de DQO en el equipo HACH. ste procedimiento se aprecia mejor en la Figura 9.

Figura 13.- Procedimiento de uso del equipo HACH en el tratamiento de agua sinttica.

Tomar muestras iniciales, finales e intermedias

en periodos de 5 minutos cada una hasta

terminar el tratamiento. Etiquetar.

Tomar una alcuota de 3 mL de cada muestra

tomada y colocarla en tubos HACH. Etiquetar.

Leer el valor de DQO en el equipo

HACH. Anotar en la bitcora.

Colocar en el digestor e iniciar el

proceso en un laso de 2 horas.

Dejar enfriar

muestras.


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45

CAPTULO IV

Resultados y discusin

Espectros de absorcin de Azul

Dentro del rea de cintica y catlisis existen tcnicas de caracterizacin de las sustancias, se

seleccion la espectrofotometra (anexo 2) UV-Vis para la evaluacin de la eficiencia del

tratamiento electroqumico.

En la Figura 14 se observa el espectro de absorcin de una serie de soluciones del colorante

azul. Se observa tres bandas de absorcin una en 620 nm caracterstica del color azul

posteriormente en 420 nm y en 320 nm.

Figura 14. Espectro de absorcin del colorante comestible azul

Se seleccion la banda de absorcin de 620 nm por ser la que presenta mayor absorbancia y por

lo tanto su coeficiente de absortividad especifico 0.3331 mL g-1cm-1 para realizar la curva de

calibracin.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

200 300 400 500 600 700

A

Longitud de onda, nm

azul000

azul001

azul002

azul003

azul004

azul005azul006

azul007

azul008

azul009

azul010


46/74

46

En la Figura 15 se muestra el grafico de A en funcin de la concentracin donde se observa una

tendencia lineal debido a que el coeficiente de determinacin (r2) fue de 0.996 y la ecuacin que

representa la lnea recta es:

A620nm= 0.202 .054 + 0.309 0.010 [Azul]

Figura 15.- Curva de calibracin del colorante azul

Una vez caracterizado el colorante se procede a realizar las pruebas electroqumicas de

electrocoagulacin con electrodos de aluminio y hierro.

Los resultados obtenidos al aplicar los mtodos propuestos en captulos anteriores para

realizar este trabajo de investigacin son analizados en este captulo con la finalidad de

comparar los dos reactores utilizados (uno con electrodos de aluminio y otro con electrodos de

hierro), resaltando las caractersticas de cada uno; para comparar la eficiencia de ambos en la

eliminacin de color azul presente en el agua sinttica preparada.

Antes de iniciar cada tratamiento se realizaron pruebas para determinar la intensidad de

corriente ms eficiente la cual juega un papel muy importante en el desprendimiento del metal

que participa como electrodo, como se menciona en el anexo 1.

y = 0.3331x + 0.0767

R = 0.9945

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0

A620nm

[Azul] g mL-1


47/74

47

Determinacin de las condiciones ptimas del tratamiento

En ambos reactores tanto el de aluminio como el de hierro, se realizaron los tratamientos A, B

y C expuestos anteriormente en la metodologa, con que se permite apreciar lo siguiente en las

grficas que reportan los resultados obtenidos.

Tratamiento A en ambos reactores (reactor 1: aluminio y reactor 2: hierro)

En la Figura 16 se muestran los resultados obtenidos en el tratamiento A, donde se han

considerado diferentes intensidades de corriente (2, 4, 6 y 8 amperes) para efectuar el

tratamiento en cada reactor sin electrolito soporte, donde la absorbancia inicial en cada caso es

de 0.338 equivalente a una concentracin de 1.26 gmL -1 y el tiempo de tratamiento de 15

minutos; y como puede observarse la absorbancia final es variable dependiendo de la intensidad

de corriente aplicada.

Para el reactor de electrodos de aluminio (reactor 1) se muestra que para una corriente de 2 A se

obtiene el 99.9% de eliminacin del colorante. Por otro lado, para el reactor 2 se observa una

eliminacin de 99.9% a las corrientes de 2, 4 y 6. Esto es debido a que no se tienen suficientes

iones en la celda para que tenga un adecuado funcionamiento.

Figura 16. Resultados de las pruebas utilizadas para determinar la intensidad de corriente ms eficiente para ambos

reactores (Reactor 1 con electrodos de aluminio, Reactor 2 con electrodos de hierro)

Por lo anterior se selecciona 2 amperes como intensidad de corriente en el tratamiento de

ambos reactores, donde los tratamientos B y C se efectan como se describe en los siguientes

prrafos.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 2 4 6 8 10

[Azul]

gmL-1

Intensidad de corriente (A)

reactor2

reactor1


48/74

48

Tratamientos B y C en el reactor 1 (electrodos de aluminio)

Las condiciones operativas que se tomaron en cuenta para iniciar con el experimento son de

2A, un volumen de 500mL, tiempo de tratamiento de 15 minutos.

Clculo de nmero de moles Al3+:

= 15 = 900

Para + 3

+ =

=

()()

()()= 0.06

Los 0.06 moles de Al3+ obtenidos equivalen a una concentracin de 0.12 M por lo que se

elabora el diagrama de distribucin de especies a estas condiciones de concentracin para

conocer las especies que se forman a los diferentes pH que se trabajaron.

Figura 17.- Diagrama de distribucin de especies para el aluminio considerando 0.12 M de+.

En la Figura 17 se observa que a pH 4 se presenta la especie insoluble AlOHSO4que puede

ayudar a iniciar la coagulacin; y a partir de pH 3.2 y hasta 12 se garantiza la produccin de

otra especie insoluble que es el Al(OH)3que ayuda a la eliminacin del colorante en el agua.

Se considera la presencia de iones sulfato pues en la solucin se han disociado los iones que

conforman al sulfato de sodio.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Fraction

pH

Al3+

AlSO4+

AlOHSO4

Al(OH)3


49/74

49

Considerando el tratamiento B las pruebas corresponden a la adicin de sulfato de sodio

anhidro como electrolito en la solucin y posteriormente sin la adicin de electrolito, las cuales

se realizan con la finalidad de conocer la efectividad del proceso electroqumico en relacin al

tiempo de tratamiento, usando sulfato de sodio 0.1 M en cada carga del reactor, 2 A, 13.1 V y

pH 7.

Figura 18.- Grfica del tratamiento realizado sin electrolito y con electrolito a 2 A y pH 7, en el reactor de

electrodos de aluminio.

En la Figura 18 se observa que durante el tiempo de tratamiento de 15 minutos que se puso

como lmite debido a que no se obtuvo ms del 15 % de remocin despus de ese tiempo. Los

0

1

2

3

4

5

6

7

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0 2 4 6 8 10 12 14 16

%deremoc

in

[Azul]

gmL

-1

Tiempo, min

[Azul]

% remocin

, g mL-1

0

2

4

6

8

10

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0 2 4 6 8 10 12 14 16

%deremocin

[Azul]

gmL-1

Tiempo, min

[Azul]

% remocion

, g mL-1


50/74

50

resultados en la remocin del colorante comestible no son favorables, sin importar si se le

adiciona o no el electrolito soporte (sulfato de sodio, Na2SO4), debido a que el aluminio es poco

conductor ya que de manera espontanea se puede formar una capa pasivante de Al2O3.

Es importante mencionar que la distancia entre los electrodos de este reactor es de 5 cm de

separacin entre cada electrodo, lo que propicia menos movimiento entre los tomos que no

permite que stos se conviertan en iones y se desprendan con facilidad para poder adherirse al

colorante.

Por lo expresado en el prrafo anterior, se ha agregado el electrolito soporte el cual cierra el

circuito de la celda formada en este reactor con electrodos de aluminio, pues el sulfato de sodio

que en este caso es el electrolito soporte se disocia logrando que la conductividad se

incremente.

En el reactor con electrodos de aluminio a remocin del contaminante ocurre de acuerdo a las

siguientes reacciones:

En el nodo

+ 3

()+

3 ()() 3()+

() ()

En el ctodo

3 3 3 3()

Los iones Al3+al combinarse con los iones (OH)-reaccionan formando algunas especies como

Al(OH)2+, Al(OH)2+, Al2(OH)24+ y Al(OH)4-, las cuales se presentan al inicio cuando las

concentraciones de aluminio son menores de 1x10-7M, posteriormente al incrementar el tiempo

de electrlisis se incrementa la concentracin de aluminio y la formacin de OH -; forman

()()que tiene la caracterstica de ser una sustancia insoluble con gran rea superficial y

de carcter absorbente, donde es de importancia recordar adems que los complejos formados

poseen una energa cintica mayor a los reactivos y los productos, que tienen cargas que

permiten la atraccin entre varias molculas formando una disolucin de tipo heterognea; loque cede la remocin del contaminante, por un mtodo de separacin de mezclas que puede ser


51/74

51

la filtracin, que normalmente es el mtodo recomendado para separar los precipitados

formados por los elementos del grupo 3. (Comminelis, et. al., 1991)

De acuerdo a los tratamientos planteados en la metodologa el tratamiento C ste consiste en

realizar pruebas a diferentes pH para observar si existe un incremento en la eficiencia del

tratamiento considerando que la intensidad de corriente sigue siendo de 2 A, y que de acuerdo a

la Figura 18 la adicin de sulfato no marca una diferencia considerable en el porcentaje de

remocin dado que el agua sinttica que se ha preparado contiene iones en solucin en

mnimas cantidades pero suficientes para cerrar el circuito de la celda; por lo que no se usar

electrolito soporte.

Figura 19.- Resultados del tratamiento C aplicado en el reactor 1.

Los resultados obtenidos de lo descrito en el prrafo anterior se observan en la Figura 19. A pH

4 la eficiencia de la remocin del color expresado es favorable en un 40.8 %; y de manera muy

marcada en pH 3, 6, 7 y 8 no ocurre as; excepto en pH 5, sin embargo una vez que pasan los 15

minutos establecidos para este tratamiento la remocin de color aun no termina.

En el presente estudio se observa de acuerdo a los resultados mostrados en las grficas

anteriores, que la remocin del contaminante se ve afectada por la distancia entre los electrodos

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 5 10 15 20

[Azu

l],

gmL-1

Tiempo (min)

pH 8.0

pH 3.0

pH=4.0

pH=5.0

pH=6.0

pH=7.0


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52

y el espesor de stos, luego de un tiempo de tratamiento superior a los 15 min, se consider que

el tratamiento con electrodos de aluminio no sera adecuado por el tiempo que se tardaba dicho

tratamiento sin tener los resultados esperados en cuanto a la remocin del colorante del agua

sinttica. Lo anterior se observa mediante la comparacin de la Figura 19 y la Figura 24 donde

con el mismo tiempo de tratamiento los resultados no son los mismos, cabe destacar que para

obtener mejores resultados se le realiz un lavado a los electrodos y al reactor, sin embargo no

se obtuvo lo deseado en el tiempo esperado de acuerdo a lo que reportan algunas fuentes. (Holt,

2006)

Figura 21.- Espectro de absorcin del colorante comestible azul durante el tratamiento de electrocoagulacin con

electrodos de aluminio.

Es importante destacar que el reactor que se construye con electrodos de aluminio no tuvo

resultados favorables para la degradacin del color a pesar de la variacin de pH, la adicin de

electrolito soporte para promover la reaccin, dichos resultados se atribuyen a la distancia a la

que se encontraban los electrodos (5cm) as como las dimensiones de cada uno de stos, lo cual

se debe a la distancia entre electrodos, que en el caso del reactor 2 que es el de los electrodos

de hierro hay menor distancia entre stos (1.2 cm).

Reducir la distancia entre los electrodos ocasiona una mayor actividad en las interfases de los

electrodos. (Molera, 1989)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

530 580 630 680

A

Longitud de onda, nm

blanco.

0 min

5 min

10 min

15 min

20 min

30 min


53/74

53

Tratamientos B y C en el reactor 2 (electrodos de hierro)

En este caso las condiciones de operacin en el segundo reactor que se tomaron en cuenta para

iniciar con el experimento son de 2A, un volumen de 500mL, tiempo de tratamiento de 15

minutos.

En el caso del reactor con electrodos de hierro, se consideran caractersticas que se pretende

mejoren los ensayos realizados con el reactor 1, esto es bsicamente en el espesor de cada placa

y en la distancia entre los electrodos, que al colocarse ms cerca, esto es 1.2 cm entre cada

placa, se pretende que adems de que no sea necesario el electrolito soporte.

La remocin de color en el agua residual ocurre cuando el metal que acta como nodo de

sacrificio en esta caso de Fe0pierde partculas reducindose a Fe +2y posteriormente a Fe+3ste

al unirse con el ion (OH)-del agua ocasiona la formacin del precipitado Fe(OH)3 se lleva a

cabo de acuerdo a las siguientes reacciones:

Reaccin a

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