Proyecto Final: Electrocoagulación Asistida con H 2 O 2 de Aguas Residuales

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1 Proyecto Final: Electrocoagulación Asistida con H 2 O 2 de Aguas Residuales Laboratorio de Ingeniería Ambiental Equipo I-A Otoño 2008 México D.F., 24 de noviembre de 2008 Alumnos: Francisco José Guerra Millán fjguerra@me.com Adelwart Struck Garza adelwartsg@hotmail.com Santiago Villalobos Steta villalobos_88@hotmail.com Asesor: Quím Ma. Teresa Morán y Morán mtmoran561@yahoo.com.mx Ing. Leticia Espinoza Marván Resumen La electrocoagulación consiste en la desestabilización de especies químicas suspendidas o disueltas presentes en una solución, producto de la aplicación de una diferencia de potencial eléctrico. El siguiente proyecto evaluó la remoción de contaminantes de agua residual analizada mediante electrocoagulación asistida con H 2O 2 con electrodos de hierro y aluminio. Bajo condiciones de laboratorio, los rendimientos del método electroquímico resultaron efectivos para la reducción de todos los contaminantes del agua residual doméstica. La turbidez se redujo hasta un 98 %, la DQO hasta en un 83 % y el OD hasta en un 79 %. A lo largo del reporte se detalla la metodología experimental y los resultados obtenidos.

2 Índice 1. Objetivos 3 2. Introducción 3 3. Procedimiento Experimental Reactores Electroquímicos Adición de Peróxido de Hidrógeno Turbidez Demanda Química de Oxígeno y Oxígeno Disuelto Espectros UV-Visible Resultados Turbidez Demanda Química de Oxígeno Oxígeno Disuelto Espectro UV-Visible Conclusiones 11 F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos 2

3 1. Objetivos Realizar un proyecto de Ingeniería Ambiental referente al tratamiento de aguas residuales. Aplicar métodos de tratamiento de aguas residuales innovadores a muestras obtenidas de la planta de tratamiento de aguas de la Universidad Iberoamericana. Comparar la eficiencia de la electrocoagulación asistida por peróxido de hidrógeno en electrodos de diferentes materiales. Verificar si dichos tratamientos son suficientes para cumplir con las especificaciones vigentes. 2. Introducción El tratamiento de aguas residuales mediante el sistema de electrocoagulación se define como la desestabilización de especies químicas suspendidas o disueltas presentes en una solución, producto de la aplicación de una diferencia de potencial eléctrico por medio de un método cátodo - ánodo inmerso en una solución de agua por tratar. Como consecuencia y en el transcurso de dicho proceso electrolítico, las especies catiónicas producidas en el ánodo entran a la solución, reaccionando con las demás especies formando óxidos metálicos y precipitando los respectivos hidróxidos. A diferencia de la coagulación química, que es el origen del coagulante, en la electrocoagulación el catión proviene de la disolución del ánodo metálico, ya sea hierro o aluminio. El tratamiento general de las aguas residuales requiere aplicaciones bajas de voltaje (menos de 50 voltios), con amperaje variable y de acuerdo con las características químicas del agua. La producción o generación de lodos está directamente relacionada con el nivel de contaminación del agua residual y de las especies catiónicas (hierro y aluminio), que se disuelven en el agua de acuerdo con la corriente aplicada a los electrodos. En todo caso, la generación de lodos es menor que un sistema químico o biológico convencional. Se obtiene un lodo más compacto (dado el hierro o el aluminio), con un nivel de humedad entre 97 % a 99 %. Los tiempos de residencia de la electrocoagulación son de mucho menores, en comparación con los sistemas biológicos que requieren entre 12 y 24 horas. La efectividad de la electrocoagulación con hierro depende de la cantidad de hierro disuelto existente para flocular. Este proceso puede ser mejorado cuando se agrega un radical hidroxilo precursor. El proceso de peroxi - coagulación F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos 3

4 usa hierro como ánodo de sacrificio para suministrar iones Fe 2+ y un cátodo de oxígeno difusión para producir el agente oxidante. La principal ventaja de este proceso es la producción simultanea de cantidades estequiométricas de Fe 2+ y H 2 O 2 por lo que los contaminantes son removidos por su degradación con OH y su coagulación con la formación de Fe(OH) 3. El peróxido de hidrógeno ha sido usado para reducir la demanda biológica de oxígeno (DBO), así como la demanda química de oxígeno (DQO), en agua de desecho doméstica e industrial. [4, 5] De igual manera, la electrocoagulación con aluminio puede ser mejorada agregando una sal de aluminio como PAC o alud. La presencia inicial de Al 3+ en el agua residual induce la formación de más flóculos de Al(OH) 3, que adsorben materia orgánica soluble. Otra ventaja significativa de la electrocoagulación es el uso de un equipo simple y fácil de operar, el tiempo de retecnión corto, la alta velocidad de sedimentación y la reducida cantidad de lodos producidos. [8] El objetivo de este estudio es analizar la eficiencia de los electrodos de hierro y aluminio, así como observar el efecto del uso de diferentes cantidades de peróxidos de hidrógeno en agua residual doméstica. 3. Procedimiento Experimental Para llevar a cabo el experimento se tomaron 5 litros de muestra de la entrada de la planta de tratamiento de la Universidad Iberoamericana. Esta agua contenía principalmente heces fecales, agua gris y restos orgánicos generados en la universidad Reactores Electroquímicos Una vez tomadas las muestras se prosiguió a construir los reactores electroquímicos. Se construyeron 8 reactores. Cada reactor consistía de un vaso de precipitados de 250 ml y dos electrodos unidos por caimanes a una fuente de poder fijada a 12 V. En cuatro reactores se utilizaron electrodos de hierro con un área superficial de aproximadamente 6 cm 2 y cuatro con electrodos de aluminio con un área superficial de aproximadamente 4.5 cm 2. Importante consideración en la construcción es evitar que los electrodos se toquen, por lo que se amarraron con cinta los electrodos al vaso. Las Figuras 3.1 y 3.2 muestran el arreglo experimental antes descrito. F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos 4

5 Universidad Iberoamericana Laboratorio de Ingenierı a Ambiental, Oton o 2008 Figura 3.1: Arreglo experimental para los reactores con electrodos de Fe. Figura 3.2: Arreglo experimental para los reactores con electrodos de Al. F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos 5

6 3.2. Adición de Peróxido de Hidrógeno Una vez que se construyeron los 8 reactores, se vertió el agua a tratar previamente preparada, para lo cual se tomaron 8 muestras diferentes de 250 ml. A cada una se le agregó una cantidad diferente de peróxido de hidrógeno al 30 % como se muestra en la Tabla 3.1 para medir la contribución el la remoción de los contaminantes. Tabla 3.1: Cantidades de H 2 O 2 utilizadas. Muestra V agua a tratar V H2O 2 C [ml] [ml] [ %] FeR1 / AlR FeR2 / AlR FeR3 / AlR FeR4 / AlR Turbidez Una vez preparados los reactores y después de haberlos agitado vigorosamente, se conectaron a la corriente eléctrica las fuentes de poder y se dejaron reaccionando por 90 minutos, tomando muestras para medir la turbidez cada 15 minutos. Asimismo se midió la turbidez de la muestra inicial para poder tener un parámetro de referencia. Para poder medir la turbidez fue necesario filtrar cada una de las alícuotas tomadas de los reactores para evitar tener sólidos suspendidos que alteraran la medición Demanda Química de Oxígeno y Oxígeno Disuelto Se midió el oxígeno disuelto al inicio y final de los 90 minutos en cada reactor, así como la DQO. Dado a que las sustancias usadas en la medición de la DQO son altamente peligrosas, únicamente se midió la demanda química de oxígeno de los reactores con electrodo de aluminio. Se escogieron los reactores con este electrodo, ya que los resultados de turbidez indicaban que el más eficiente era el aluminio. Esta decisión se respaldó de igual manera en la literatura Espectros UV-Visible Los espectros UV-Visible fueros obtenidos para la muestra inicial, un blanco de agua destilada y las muestras de los ocho reactores posterior al tratamiento, utilizando un espectrofotómetro Cary 50 de doble rayo. El escaneo se realizó de los 800 nm a los 200 nm, utilizando una celda de cuarzo. F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos 6

7 4. Resultados 4.1. Turbidez La turbidez inicial para todas las muestras es la misma y conforme pasa el tiempo y cada electrodo actúa, la turbidez disminuye, es decir, el agua es tratada y por tanto queda más lompia. Cada una de las muestras contenía una cantidad diferente de peróxido de hidrógeno (Tabla 3.1) concentrado, por lo cual el rendimiento de cada electrodo fue diferente según la cantidad de agua oxigenada que se usó y el electrodo usado. La Tabla 4.1 muestra los resultados obtenidos de valores de turbidez para cada una de las muestras en función del tiempo transcurrido. Las Figuras 4.1 y 4.2 muestran la turbidez de las muestras en función del tiempo. Tabla 4.1: Valores de Turbidez para en función del tiempo. Electrodo de Fe Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4 Tiempo Turbidez Turbidez Turbidez Turbidez [min] [NTU] [NTU] [NTU] [NTU] Electrodo de Al Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4 Tiempo Turbidez Turbidez Turbidez Turbidez [min] [NTU] [NTU] [NTU] [NTU] Es posible observar que el electrodo de aluminio es más eficiente que el de hierro ya que los valores finales de turbidez para este electrodo son más cercanos a cero. Cabe destacar que para todas las lecturas se filtró la muestra, lo cual redujo considerablemente la turbidez final de todas las muestras, inclusive las que se trataron con el electrodo de hierro; sin embargo, el valor final de turbidez F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos 7

8 Figura 4.1: Turbidez para las muestras tratadas con electrodos de Fe. Figura 4.2: Turbidez para las muestras tratadas con electrodos de Al. F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos 8

9 fue más consistente y cercano a cero para todas las muestras tratadas con el electrodo de aluminio. Es importante observar que ambos electrodos tienen una eficiencia considerablemente buena. La Tabla 4.2 muestra los porcentajes en los que se redujo la turbidez después de 90 minutos de reacción. Como se observa, los valores de reducción son en todos los casos maypres al 95 % y en muchos de ellos mayor al 99 %. En la Figura 4.2 es posible observar que alrededor de los 30 minutos se obtiene un valor de turbidez muy bajo, que aumenta posteriormente y vuelve a disminuir hacia los 90 minutos. Es necesario hacer estudios posteriores para analizar la presencia de complejos de fierro y aluminio para ver su efecto en la turbidez. Es posible que la acumulación de iones de aluminio y fierro afecte en los valores de turbidez de las muestras. Tabla 4.2: Reducciíon de la turbidez después de 90 minutos de reacción. Electrodo de Fe Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4 % red % red % red % red [ %] [ %] [ %] [ %] Electrodo de Al Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Muestra 4 % red % red % red % red [ %] [ %] [ %] [ %] A partir de los resultados experimentales se observa que 90 minutos es un tiempo razonable para reaccionar el agua antes de pasarla al filtro y garantizar que sale tratada relativamente bien. En el caso de las muestras FeR3, FeR4, AlR1 y Al 4 se cumple con la especificación que indica un valor de 5 NUT como límite máximo permisible para la turbidez del agua [2, 7] Demanda Química de Oxígeno La DQO se midió para las muestras de los electrodos de alumnio y se comparó con el valor inicial de la muestra sin tratamiento. Los resultados se muestran en la Tabla 4.3. La literatura indica que la DQO se debería reducir en un 92 % [1], no obstante los valores obtenidos resultan sumamente satisfactorios, pues se encuentran por debajo del valor medio recomendado en la mayoría de los casos [2, 7]. Los resultados de DQO muestran que la muestra AlR2 es la mejor ya que presenta el valor más pequeño. Esto, ya que mientras más pequeño sea el valor F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos 9

10 Tabla 4.3: DQO para las muestras después de 90 minutos de reacción. Muestra % T Abs DQO % red [ %] [mg/l] [ %] Muestra Planta ND AlR AlR AlR AlR de DQO, menor es la cantidad de contaminantes del agua. Se observa de esta manera que la demanda química de oxígeno se reduce en un %. La única muestra por arriba del valor medio recomendado (1000 mg/l) [2, 7] es la muestra AlR1, con la menor cantidad de H 2 O 2. Dado que la DQO no disminuye con una tendencia lineal respecto a la cantidad de H 2 O 2 podría suponerse la existencia de una concentración óptima. No obstante, para el caso de la turbidez (Tabla 4.1) se obtiene a la muestra AlR1, como la mejor, difiriendo de los resultados con base en la DQO Oxígeno Disuelto El Oxígeno Disuelto (OD) fue medido para todas las muestras a una temperatura de C con un valor de calibración de 6.23 mg/l. Los resultados se muestran en la Tabla 4.4. Tabla 4.4: OD para las muestras después de 90 minutos de reacción. Muestra OD % red [mg/l] [ %] Muestra Planta 0.43 ND FeR FeR FeR FeR AlR AlR AlR AlR Curiosamente para el caso de las muestras tratadas con electrodos de hierro, el oxígeno disuelto se disminuye hasta en un 79 %, no obstante en el caso de los F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos 10

11 tratados con electrodos de aluminio, aumenta considerablemente. Esto puede deberse a la porducción de oxígeno proveniente del H 2 O 2 utilizado Espectro UV-Visible Los espectros UV-Visible fueron obtenidos para todas las muestras posterior a los 90 minutos de tratamiento, así como para una muestra de agua destilada y una muestra del agua de la planta sin tratar. Las Figuras 4.3 y 4.4 corresponden a las muestras tratadas con electrodos de hierro, mientras que las Figuras 4.5 y 4.6 corresponden a las muestras tratadas con electrodos de aluminio. En ambos casos, la primera figura muestra la gráfica completa y la segunda refleja una vista de acercamiento limitando el eje de la absorbancia a un valo de 2. La muestra de la planta no presenta picos significativos en la región del espectro visible. No obstante hay una especie de picos a los 240 nm y 215 nm. Para el caso de la muestra de agua destilada se observa una curva que presenta una absorbancia muy cercana a 0 en todo el barrido espectrofotométrico. Es interesante observar que la absorbancia de la muestra disminuye, acercándose a la del agua, una vez concluido el tratamiento. Si se observan las Figuras 4.3 y 4.4 es posible notar que la muestra FeR3 presenta los valores de absorbancia más cercanos a cero. Si se observan las Figuras 4.5 y 4.6 es posible notar que la muestra AlR2 presenta los valores de absorbancia más cercanos a cero. Tanto para el DQO, como basado en los espectros UV-Visibe, para el caso de las muestras tratadas con electrodos de aluminio, la cantidad de H 2 O 2 óptima parece la aplicada al reactor AlR2, con una concentración de peróxido de hidrógeno al 0.12 %. Comparando la mejor curva de aluminio con la mejor de hierro se obtienen los resultados de las Figuras 4.7 y 4.8. Es posible observar que el mejor electrodo resulta ser el de aluminio, pues la curva presenta valores de absorbancia más cercanos a cero, dato que concuerda con lo indicado en la literatura [1]. 5. Conclusiones La electrocoagulación es un porceso sumamente eficiente y fácil de aplicar para el tratamiento de aguas residuales. Como se observa a lo largo de los resultados la turbidez se redujo hasta un 98 %, la DQO hasta en un 83 % y el OD hasta en un 79 %. Cabe mencionar que la muestra AlR2, tratada con electrodos de aluminio es la que muestra el espectro más cercano al del agua destilada, una mayor reducción en el DQO así como un valor de turbidez muy cercano al de la morma, lo que podría indicar el mejor tratamiento. Esta muestra contenía una F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos 11

12 Figura 4.3: Espectro UV-Visible para los electrodos de Fe. Figura 4.4: Espectro UV-Visible para los electrodos de Fe (acercamiento). F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos 12

13 Figura 4.5: Espectro UV-Visible para los electrodos de Al. Figura 4.6: Espectro UV-Visible para los electrodos de Al (acercamiento). F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos 13

14 Figura 4.7: Espectro UV-Visible comparativo para los electrodos de Fe y Al. Figura 4.8: Espectro UV-Visible comparativo para los electrodos de Fe y Al (acercamiento). F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos 14

15 concentración de H 2 O %. Sería necesario realizar estudios posteriores con mayor énfasis en la concentración de H 2 O 2 para determinar la concentración óptima, así como los efectos de escalado de dichas reacciones. Con base en los resultados obtenidos es posible concluir que se llevó a cabo una experimentación correcta. Los errores si bien se pudieron haber minimizado son intrínsecos a la experimentación. No obstante, los objetivos fueron satisfechos. La electrocoagulación, como se mostró en el proyecto resulta sumamente fácil de aplicar y su efectividad es considerablemente alta. Referencias Logic will get you from A to B. Imagination will take you everywhere. - A. Einstein [1] C. Barrera Díaz, B. Bilyeu, G. Roa Morales, and P. Balderas Hernández. A comparison of iron and aluminium electrodes in hydrogen peroxide-assisted electrocoagulation of organic pollutants. Environ. Eng. Sci., 25(4): , [2] Lenore S. Clesceri, Arnold E. Greenberg, and Andrew D. Eaton. Standard methods for the examination of water and wastewater. American Public Health Association, Washington, DC, 20th edition, [3] J. G. Ibáñez, Mono M. Singh, and Zvi Szafran. Laboratory experiments on the electrochemical remediation of environment. part 4: Color removal of simulated wastewater by electrocoagulation-electroflotation. J. Chem. Educ., 74: , August [4] W. G. Kuo. Decolorizing dye wastewater with fenton s reagent. Water Res., 26:881, [5] F. J. Millero, A. Leferriere, S. Fernández, M. adn Hubinger, and J.P. Hershey. Oxidation of H 2 S with H 2 O 2 in natural waters. Environ. Sci. Technol., 23:209, [6] K. Rajeshwar and J. G. Ibáñez. Electrochemistry and the Environment. Academic Press, San Diego, [7] Clair N Sawyer. Qumica para Ingeniera Ambiental. McGraw-Hill, [8] A. Vlyssides, E.M. Barampouti, S. Mai, D. Arapoglou, and A. Kotonarou. Degradation ometylparation in aqueous solution by electrochemical oxidation. Environ. Sci. Technol., 38:6125, F. J. Guerra, A. Struck, S. Villalobos 15