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DISEÑO DE UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIN

!ara el tratamient" de agua# re#iduale# de la indu#tria l$ctea

Re#umen

El sistema de electrocoagulación juega un papel muy importante en la

efectividad de remoción de contaminantes. Algunos aspectos de diseño a tener

en cuenta están relacionados con la celda, los electrodos, los materiales de

este, la geometría y la disposición de los electrodos son fundamentales para

que la aplicación de la electrocoagulación tenga resultados óptimos. Con base

en la caracteriación !sicoquímica de las aguas residuales de una industria

láctea, se diseñó un sistema de electrocoagulación para estudiar el

comportamiento de los diferentes parámetros involucrados en la remoción de

contaminantes. "a investigación permitió establecer la geometría tanto de la

celda como de los electrodos, materiales y tipo de cone#ión, adicionalmente

determinar los parámetros el$ctricos de la fuente de voltaje.

%& 'ateriale# ( m)t"d"#

%ara el diseño y construcción de la celda de electrocoagulación se utilió un

agua residual de una industria láctea. &e tomaron tres muestras del tanque de

'omogeniación de las aguas residuales de esta industria, se midieron el p(, la

conductividad, )*+ y grasas y aceites tal como se muestra en la abla -.

 abla -. Características !sicoquímicas del agua residual

Estas características jugaron un papel funda mental durante el desarrollo de la

investigación ya que de $stas dependieron los parámetros de diseño del

sistema de electrocoagulación, dic'os parámetros fueron

/ )istancia entre electrodos.

/ &elección del electrodo de sacri!cio

/ Con!guración de la celda de electrocoagulación.

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/ %arámetros el$ctricos como voltaje y amperaje de la fuente.

/ )imensiones y n0mero de electrodos.

*& Re#ultad"# ( di#cu#i+n

*&% Determinaci+n de la di#tancia a,r",iada entre electrodos. )urante las

pruebas e#ploratorias se observó que para separaciones entre electrodos

inferiores a -1 mm los tratamientos se 'acen prolongados, adicionalmente se

presentaron atascamientos por deposición de lodo sobre la super!cie de los

electrodos, impidiendo la circulación del medio acuoso y la generación de 

turbulencias que favorecen la coagulación dando como resultado bajas

remociones de )*+ como se muestra en la 2igura -.

%ara distancias entre electrodos mayores a -1 mm no se presentaron cambios

importantes en el proceso, en comparación con los resultados obtenidos a -1

mm. "o anterior sugiere que por aspectos t$cnicos la separación entre

electrodos que permite un proceso de electrocoagulación con buenas

remociones de )*+ y grasas y aceites es de -1 mm 32igura 45.

*&* Determinaci+n de l"# ni-ele# ,ara l"# .act"re# ,/, densidad de

corriente y tiempo.

)urante las pruebas e#ploratorias se probó electrodo de sacri!cio tanto de

'ierro como de aluminio, se varió el p( y la densidad de corriente para lascuales se midieron las remociones de )*+ y de grasas y aceites a 6, -1, -6 y

41 minutos.

"os resultados se presentan en la 2igura -, en la cual se observa que la

e!ciencia en la remoción incrementa con el aumento de la distancia entre

electrodos, el aumento de densidad de corriente y el tiempo.

"os resultados presentados en la ! gura 4 muestran que se pueden conseguir

e!ciencias altas en la remoción de )*+ a densidades de corriente inferiores a

las trabajadas en los tratamientos mostrados en la 2igura -, esto cuando se

disminuye el p(.

Analiando los tiempos del proceso de electrocoagulación, tanto de los

resultados presentados en la 2igura - como en la 4, se puede ver que entre los

-6 y los 41 minutos las pendientes de las curvas tienen una tendencia a

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disminuir, lo cual sugiere que los tratamientos tienen su mayor efectividad en

los primeros -6 minutos.

Figura %& 7emociones de )*+ para p( de 8,61, diferentes densidades de

corriente y distancias entre electrodos y electrodo de sacri!cio de 'ierro

Figura *& 7emoción )*+ para separación entre electrodos de -1 mm con

electrodo de sacri!cio de 'ierro

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"a 2igura 9 muestra los porcentajes de remoción de grasas y aceites a

densidades de corriente de 8:,;< y -4=,<9 A>m4 para distancias entre

electrodos 3d5 de 9, 6 y -1 mm y p( de 8,6.

Figura 0& 7emociones de grasas y aceites para p( de 8,61, diferentes

densidades de corriente y distancias entre electrodos y electrodo de sacri!cio

de 'ierro

Aunque el comportamiento de las diferentes curvas es disímil en comparación

al presentado por la remoción de )*+ mostrado en la 2igura -, se observa la

tendencia de un aumento del porcentaje de remoción con el aumento de la

densidad de corriente y de la distancia entre los electrodos.

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"as remociones tanto de grasas y aceites como las de )*+ obtenidas con

electrodo de 'ierro son altas y ante el 'ec'o que los costos del 'ierro son

menores al del aluminio se realió un sondeo realiando pruebas con electrodo

de sacri!cio de aluminio a las condiciones de densidad de corriente y p( para

las cuales se dieron las mejores remociones con electrodo de 'ierro y sólo

midiendo )*+ a los 41 minutos.

"os datos aparecen en la abla 4, en la cual se puede observar que las

remociones son menores para el proceso manteniendo electrodo de sacri!cio

de aluminio.

El análisis de los resultados obtenidos con estas variaciones, muestra que se

obtienen mejores remociones manteniendo electrodo de sacri!cio de 'ierro

3electrodo que se desgasta5 a p( bajos y adicionalmente con -6 minutos detratamiento son su!cientes.

*&0 Di#e1"2 c"n#trucci+n ( m"nta3e del #i#tema de electr"c"agulaci+n& 

El sistema 32otografía -5 opera como reactor batc' a escala prototipo, con

capacidad para tratar dos litros de aguas residuales.

Consta de una celda electrolítica de dos litros en la cual están sumergidos los

electrodos, estos electrodos son placas rectangulares metálicas de 'ierro y

aluminio dispuestas en paralelo y conectadas a una fuente de voltaje de

corriente directa que proporciona la corriente el$ctrica requerida para la

electrocoagulación.

"a fuente de voltaje posee controles de corriente y voltaje regulables e

independientes.

 abla 4. ?alores de los porcentajes de remoción de )*+ utiliando electrodo de

sacri!cio tanto de aluminio como de 'ierro y medidos a 41 minutos

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2otografía -. @ontaje del sistema para electrocoagulación

"a celda reposa sobre una placa de agitación magn$tica con la !nalidad de

proporcionar agitación al agua residual. Como instrumentos complementarios

están el termómetro para 'acer seguimiento a la temperatura durante el

proceso y el cronómetro.

*&4 Celda de electr"c"agulaci+n& "a celda para electrocoagulación se

diseñó considerando una distribución volum$trica que contempla tres regiones

una región superior para el depósito de los lodos de otación o lodos menos

densos y las espumas, llamada ona de otación, una región media de

reacciones electroquímicas, llamada ona de reacción en donde se encuentran

los electrodos y una región inferior, llamada ona de sedimentación dónde se

depositan los lodos de precipitación o lodos más densos.

Esto se puede observar en la 2igura ;.

Figura 4& )imensiones de la celda para electrocoagulación

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"a ona de otación y la de sedimentación equivalen cada una a B del

volumen total de la celda 34.< l5, y la ona de reacción equivale a 4>; partes. "a

celda fue provista de una compuerta para evacuar la espuma producida por las

burbujas de 'idrógeno generado en las reacciones electrolíticas, además de

dos llaves para tomar las muestras a ser analiadas, una de esas llaves está

ubicada en la ona de reacciones y la otra en la ona de sedimentación.

En las 2iguras 6 y : se muestran los detalles de la compuerta para espumas y

la ubicación de los ori!cios para la toma de las muestras y !nalmente en la

2otografía 4 se observa la celda terminada.

Figura 5& )etalle cara toma de muestras y evacuación de lodos

Figura 6& ?ista superior del sistema de evacuación de lodos

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*&4 Selecci+n del material de l"# electr"d"#, n0mero de electrodos y

dimensiones. &e probaron electrodos de 'ierro y aluminio por las siguientes

raones

/ )isponibilidad de los metales.

/ &on materiales relativamente baratos.

/ Amplia información bibliográ!ca en la que se reportan buenas remociones de

contaminantes con estos materiales en la electrocoagulación, adicionalmente

son los metales más utiliados en el proceso 3obya, 4119 y C'en, 41145.

"os electrodos se diseñaron como placas rectangulares dispuestas en serie.

Comercialmente estos metales se encuentran disponibles como láminas de 9

mm de espesor. &e estableció una distancia de 4 cm entre el arreglo de placas

y cada una de las caras laterales de la celda, para permitir de esta forma el

ujo del agua residual durante la electrólisis. Dna distancia de -.46 cm entre la

cara frontal y los electrodos, igualmente -.46 cm entre estos y la cara posterior

de la celda.

El n0mero de electrodos se determinó suponiendo una separación má#ima

entre electrodos de -; mm más 9 mm del espesor de cada placa, de acuerdo a

la siguiente e#presión

Entonces

)e esta forma se tienen tres placas de un metal conectadas al ánodo y las

otras tres placas del otro metal conectadas al cátodo, todo esto formando un

arreglo intercalado y en paralelo de electrodos como se puede observar en la

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2otografía 9. Adicionalmente los electrodos deben tener una altura igual a la

altura de la ona de reacción en la celda, esto es = cm.

2otografía 9. )isposición de los electrodos en la celda

*&5 Fuente de -"lta3e& %ara el diseño de la fuente se establecieron los rangos

de corriente el$ctrica y voltaje de trabajo con base en una densidad de

corriente de 61 a--1 A>m4 rango promedio reportado en la bibliografía con

buenos resultados en la remociones de contaminantes, adicionalmente

teniendo en cuenta la conductividad de las aguas residuales a tratar y de

acuerdo con las características !sicoquímicas del muestreo preliminar 3abla -5

y con la ayuda de la Ecuación 3-5, que permite realiar un estimativo de estos

parámetros el$ctricos. Así se llegó a los resultados mostrados en la abla 9.

El voltaje total requerido en la celda de electrocoagulación se calculó de

acuerdo a la forma de cone#ión de los electrodos, de forma bipolar, en la cual

el voltaje total que entrega la fuente se calcula.

En el caso de la cone#ión mono polar el voltaje total será igual al voltaje entre

los electrodos 3Do5. En el caso de la cone#ión bipolar el voltaje se calcula como3C'en, 41145

D 3F G -5 Do HHHHHHHHH. (Ecuación 1)

Con

Do voltaje entre los electrodos

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F n0mero de electrodos.

D voltaje total.

Con estos valores como pará metros mínimos requeridos en la

e#perimentación, se construyó una fuente con corriente má#ima de 46 A yvoltaje de -: ?. +bteniendo de esta manera, un equipo con mayor posibilidad

de movilidad por rangos más amplios de voltaje y amperaje.

"a fuente tiene dos controles, uno para variar el voltaje y otro para variar la

corriente el$ctrica, la medición de la corriente el$ctrica se realia con un

amperímetro digital cuya escala es de 1.- A y el voltaje se mide en un

voltímetro digital con escala de 1.-?, todo el equipo tiene cone#ión a --1 ? ac

monofásico.

 abla 9. ?alores estimados para los parámetros el$ctricos de la fuente de

voltaje

C"nclu#i+n

El sistema de electrocoagulación que permitirá el estudio del comportamiento

de las aguas residuales de la industria láctea está conformado por una fuente

de voltaje que entrega una corriente el$ctrica de 46 A al medio acuoso, una

celda con capacidad para contener dos litros de agua residual que contempla

tres onas reacciones electroquímicas, sedimentación y otación y seis

electrodos tres de 'ierro y tres de aluminio dispuestos en forma alternada y

cone#ión en paralelo y separados por -1 mm.

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