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TECNOLOGÍAS ELECTROQUÍMICAS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS:

ELECTROCOAGULACIÓN

MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.

Instituto Universitario del Agua y las Ciencias Ambientales. Universidad de Alicante.

Alicante, 23 de Enero de 2018

Mª José Moya Llamas. Dr. Ing.C.C.P.

• INTRODUCCIÓN.

• FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LA EC.

• CONFIGURACIÓN Y PRINCIPALES COMPONENTES.

• PRINCIPALES VARIABLES DEL PROCESO.

• COAGULACIÓN VS. ELECTROCOAGULACIÓN.

• APLICACIONES.

• PROCESOS COMBINADOS.

• BIBLIOGRAFÍA.

MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.

- Muy prometedoras en el campo del tratamiento de aguas tanto

superficiales como residuales.

- Destacan:

- Electro-coagulación,

- electro-diálisis,

- electro-flotación,

- electro-deposición

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- Muy prometedoras en el campo del tratamiento de aguas tanto

superficiales como residuales.

- Destacan:

- electro-diálisis,

- electro-flotación,

- electro-deposición

MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.

- Conocida desde hace décadas, la EC se basa en la aplicación de una

corriente eléctrica mediante dos electrodos a una solución electrolítica,

generando agentes desestabilizantes que neutralizan las cargas para la

eliminación de contaminantes de la disolución.

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Procesos involucrados en

un reactor de EC. Fuente:

Martínez, 2007.

Combina las ventajas de la coagulación convencional con las de los procesos electroquímicos.

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Medioambientalmente sostenible

Versátil

Selectiva

Segura

Eficiente energéticamente

Fácilmente operable

Automatizable

Ventajas

TECNOLOGÍA EMERGENTE EN EL TRATAMIENTO AVANZADO DE LAS AGUAS

- Tecnología emergente aunque escasamente investigada en el campo del

tratamiento de las aguas residuales especialmente en cuanto a

eliminación/reducción de:

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EC

Coloides (1-1000 nm)

DQO

Sales (amonio, sulfatos, fosfatos), cianuros, fenoles,

tensioactivos, tintes y colorantes.

Grasas, aceites y

emulsiones

Electro-deposición de metales

pesados (Zn, Pb, Ni, Cr),

Micro-contaminantes

(CEs)

:

Electro-oxidación del ánodo y pasivación del cátodo dando lugar a la formación de

hidróxidos complejos que por absorción forman agregados hidrofóbicos (flóculos) con

los contaminantes facilitando su eliminación bien por decantación o bien por la

electroflotación debido al gas generado en la superficie electródica durante el proceso.

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:

La EC o coagulación asistida electroquímicamente es la producción electroquímica de

agentes desestabilizantes que neutralizan las cargas para la eliminación de los

contaminantes de la disolución. Las reacciones intervinientes son:

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- En el caso de ánodo de aluminio: Al →Al3+ (aq) +3e−

Al3+ (aq) +3H2O→Al(OH)3 +3H+ (aq)

nAl(OH)3 →Aln(OH)3n

- En el caso de ánodo de acero. En este caso se genera Fe(OH)n por dos mecanismos:

Mecanismo 1:

Ánodo: 4Fe(s) →4Fe2+ (aq) +8e−

4Fe2+ (aq) +10H2O(l) +O2(g) →4Fe(OH)3(s) +8H+ (aq)

Cátodo: 8H+ (aq) +8e− →4H2(g)

Global: 4Fe(s) +10H2O(l) +O2(g) →4Fe(OH)3(s) +4H2(g)

Mecanismo 2:

Ánodo: Fe(s) →Fe2+ (aq) +2e−

Fe2+ (aq) +2OH− (aq) →Fe(OH)2(s)

Cátodo: 2H2O(l) +2e− →H2(g) +2OH− (aq)

Global: Fe(s) +2H2O(l) →Fe(OH)2(s) +H2(g)

• Celda electrolítica,

• Disolución electrolítica a tratar,

• Electrodos (ánodo y cátodo),

• Fuente de energía eléctrica,

• Conductores,

• Elementos de control y medida.

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Esquema de un sistema de

electrocoagulación. Fuente:

Arango, A., 2011.

• Según la disposición de los canales:

- De canal único

- De canales múltiples

• Según la disposición de los electrodos:

- En configuración monopolar,

- En configuración bipolar.

• Según la conexión a la fuente de corriente:

- En paralelo,

- En serie.

• Según la morfología de los electrodos:

- Planos,

- Cilíndricos

• Según la entrada del flujo:

- Flujo horizontal,

- Flujo vertical.

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Disposición de los electrodos en configuración monopolar y

bipolar. Fuente: Martínez, 2007

Configuración de los canales. Fuentes: Martínez, 2007

• Altamente relacionado con la disolución de hidróxido del metal. Diferentes

especies poliméricas generadas en función del pH del efluente ((Al3+, Al(OH)2+,

Al(OH)2+ , Al(OH)3 (precipitado), Al(OH)4-).

• La EC en medio ácido aumenta la acidez del mismo (mayor velocidad de

corrosión). En medios alcalinos aumenta su capacidad buffer.

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Diagrama de especies poliméricas generadas en función del pH. Fuente: Martínez, 2007.

• La presencia de NaCl o CaCl2 incrementa la conductividad de la disolución y disminuye los

precipitados sobre los electrodos.

• Escasos estudios al respecto. Con electrodos de aluminio la máxima eficiencia se alcanza a

60ºC. En la práctica esto sería ineficiente: se opera a T ambiente.

• Generalmente acero o aluminio. Pueden utilizarse otros metales (titanio/ruterio, indio/talio, DDB

(diamante dopado con boro, etc.)

• Distancia entre electrodos a fin de optimizar el efecto gradiente generado entre ambos. Influye en

el consumo energético.

• Posibilidad de operar alternando cíclicamente la corriente eléctrica (ACE- Alternating Current

Electrocoagulation ).

• Inferior a 20-25 A·m2.

• Aplicación intermitente de la corriente (pulsos ON/OFF) para favorecer desprendimiento capa

óxido.

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En ambos procesos las partículas coloidales suspendidas son neutralizadas por colisión

mutua formando agregados o flóculos capaces de sedimentar.

- En la esto es debido a la interacción con un reactivo (sales

metálicas, polímeros y polielectrolitos. Generalmente Al2(SO4)3·18H2O). Requiere

de agitación mecánica.

- En la , la oxidación electrolítica del ánodo provoca la coagulación

por dos mecanismos: por interacción entre partículas con carga iónica opuesta y

por generación de hidróxidos metálicos. No requiere de reactivos ni de agitación.

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Ventajas

• Elimina turbidez, color y olor.

• Genera menor volumen de fangos y favorece su acondicionamiento (más hidrófobo, compacto, decantable y manejable).

• Las burbujas de gas en la superficie del electrodo favorecen electroflotación.

• No requiere de reactivos ni de agitación mecánica.

• Menores TRH.

• Alta reducción de compuestos fosforados debido a que la precipitación de iones Fe3+ y Al3+ da lugar a la formación de fosfatos insolubles.

• Alta efectividad frente a un amplio rango de contaminantes.

• P atmosférica y T ambiente.

• Sencillo, fácil de implementar y operar.

Inconvenientes

• Disolución del ánodo (fungible).

• Consumo energético del proceso.

• Presencia de metales en el fango.

• Capa impermeable de óxido en el cátodo. Reduce la eficiencia.

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• Eliminación de coloides, nitratos, tratamiento de aguas procedentes de presas y

embalses, aguas conteniendo boro, cadmio, cobre, etc. (Maneri et al., 2001; Hu et al.,

2005; koparal y Ogutveren, 2002; Vasudevan et al., 2010)

• Minería y procesado de metales (Díaz et al., 2003; Gao et al., 2005)

• Industria papelera (Zaied and Bellakhal, 2009)

• Aceites y emulsiones (Chen et al., 2000); Tezcan et al., 2007; Khoufi et al., 2007)

• Lecherías (Kushwaha et al., 2010)

• Defluoración del agua,

• Textiles, tintes y colorantes (Bayramoglu et al, 2007; Zaroual et al, 2006)

• Detergentes sintéticos,

• Amoníaco, etc.

• Tratamiento A.R.U. (Pouet and Grasmick, 1995; Jiang et al., 2002; Bukhari, 2008)

• Eliminación del fósforo (eutrofización zonas sensibles) por formación de AlPO4 y FePO4.

(Bektas et al., 2004),

• Pesticidas (Khoufi et al., 2007; Yahiaoui et al., 2011), antibióticos (Laridi et al.,

2005),entre otros CEs.

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• Tratamiento aguas residuales procedentes de operaciones mecánicas químicas.

(Belongia et al.,1999)

• Tratamiento de A.R.U. (Pouet and Grasmick, 1995)

• Tratamiento de A.R.U. (Bani-Melhem and Elektorowicz, 2011; Hasan et al, 2014; Ibeid et

al., 2013)

Figura Esquema planta

combinada MBR+EC.

Fuente: Bani-Melhem. &

Elektorowicz, 2011

MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.

Bani-Melhem, K., & Elektorowicz, M. (2011). Performance of the submerged membrane electro-bioreactor (SMEBR) with iron electrodes for wastewater treatment and fouling reduction. Journal of membrane

science, 379(1), 434-439.

Bayramoglu, M., Eyvaz, M., & Kobya, M. (2007). Treatment of the textile wastewater by electrocoagulation: economical evaluation. Chemical Engineering Journal, 128(2), 155-161.

Chen, G. (2004). Electrochemical technologies in wastewater treatment. Separation and purification

Technology, 38(1), 11-41.

Hasan, S. W.; Elektorowicz, M. and Oleszkiewicz, J. A. (2014). Start-Up Period Investigation of Pilot-Scale

Submerged Membrane Electro-Bioreactor (SMEBR) Treating Raw Municipal Wastewater. Chemosphere,

97, pp. 71-77 SCOPUS.

Ibeid, S.; Elektorowicz, M .and Oleszkiewicz, J. A. Novel Electrokinetic Approach Reduces Membrane

Fouling. Water Research, 2013, vol. 47, no. 16, pp. 6358-6366 SCOPUS.

Kuokkanen, V., Kuokkanen, T., Rämö, J., & Lassi, U. (2013). Recent Applications of Electrocoagulation in

Treatment of Water and Wastewater. A Review. Green and Sustainable Chemistry, 3(2), 89-121.

Martínez Navarro, F. (2007). Tratamiento de aguas residuales industriales mediante electrocoagulación y

coagulación convencional. Tesis doctoral. Universidad de Castilla la Mancha. Ciudad Real.

Mollah, M. Y. A., Schennach, R., Parga, J. R., & Cocke, D. L. (2001). Electrocoagulation (EC)—science and

applications. Journal of hazardous materials, 84(1), 29-41.

Ruíz, Á., & Garcés, F. (2009). Influencia de la conductividad eléctrica en la electrocoagulación de aguas

residuales de la industria láctea. Producción+ Limpia, 4(2), 54-64.

TECNOLOGÍAS ELECTROQUÍMICAS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS:

ELECTROCOAGULACIÓN

MÁSTER EN GESTIÓN SOSTENIBLE Y TECNOLOGÍAS DEL AGUA.

Instituto Universitario del Agua y las Ciencias Ambientales. Universidad de Alicante.

Alicante, 23 de Enero de 2017

Mª José Moya Llamas. I.C.C.P. (mjmoya@ua.es)