Eliminación de contaminantes de aguas residuales mediante procesos de electrocoagulación y electroflotación

Resumen

Ante las buenas perspectivas que presenta la tecnología de coagulación electroquímica, el objetivo de este trabajo consiste en profundizar en el estudio del proceso de electrocoagulación e intentar optimizar al máximo dicho proceso. Para ello, es importante estudiar el proceso en su conjunto, atendiendo no sólo a los procesos químicos que ocurren en el interior de la celda electroquímica, sino también a los procesos secundarios del sistema así como al diseño del reactor. Entre los procesos secundarios que ocurren en cualquier proceso de electrocoagulación, la generación de burbujas de gas en la superficie de los electrodos es de especial importancia, ya que permiten flotar los contaminantes coagulados hacia la superficie del sistema. Este proceso se conoce como electroflotación y en determinados casos puede aplicarse de forma independiente al proceso de electrocoagulación. Un adecuado diseño de reactor puede permitir mejorar el rendimiento del proceso a través del aprovechamiento de los procesos secundarios que ocurren en su interior. Resultados En los ensayos de disolución de láminas de aluminio y de hierro utilizadas como electrodos en procesos de electrocoagulación, se ha observado que el aporte de Al3+ y Fe2+ al medio no sólo se produce gracias a al proceso electroquímico en sí, sino también como consecuencia del proceso espontáneo de corrosión de los electrodos por la acción oxidante del medio. El estudio de caracterización de las especies de hidrólisis de aluminio y hierro revela importantes diferencias entre ambos materiales electródicos. En general, valores extremos de pH dan lugar a la formación de especies monoméricas solubles, mientras que valores de pH alrededor de 7 permiten obtener un precipitado del correspondiente hidróxido de cada metal. Cuando se trabaja con aluminio, para valores ácidos de pH se obtienen mayoritariamente especies solubles monoméricas cargadas positivamente y pequeñas cantidades de precipitado y especies poliméricas. Para valores de pH próximos a la neutralidad se generan principalmente especies precipitadas, mientras que para pH alcalino se generan especies monoméricas cargadas negativamente. Además, cuando se aumenta la densidad de corriente, la cantidad de especies precipitadas se incrementa para valores de pH más extremos hasta alcanzar un valor constante a partir de unos 20 mA cm-2. En el caso del hierro, para pH ácido se generan mayoritariamente especies monoméricas cargadas positivamente. Por el contrario, prácticamente no se detectan en el medio especies poliméricas. Sólo en el caso de trabajar a valores de pH superiores a la neutralidad se detectan en el sistema especies precipitadas. El estudio del proceso de electrocoagulación de aguas residuales sintéticas utilizando electrodos de aluminio y hierro muestra que las distintas especies de hidrólisis generadas con uno y otro metal influyen significativamente en los mecanismos de coagulación predominantes en el proceso de depuración de aguas residuales contaminadas con caolinita, NET y emulsiones. En el tratamiento de aguas contaminadas con caolinita, el mecanismo de inmersión en precipitado explica los elevados rendimientos en la eliminación de turbidez obtenidos para elevadas densidades de corriente con los dos materiales electródicos. Sin embargo, para bajas densidades de corriente predomina un mecanismo de neutralización de cargas cuando se trabaja con aluminio que permite obtener una zona de elevado porcentaje de eliminación de turbidez. En la electrocoagulación de aguas contaminadas con NET se obtienen elevados rendimientos en la eliminación de absorbancia como consecuencia de un mecanismo de inmersión en precipitado. Sin embargo, cuando se emplea aluminio, la dosis para la que se alcanza el máximo de eliminación es inferior, como consecuencia de la adsorción de especies de hidrólisis de aluminio solubles cargadas positivamente sobre la superficie del precipitado, que favorecen su unión a las moléculas de contaminante. En el tratamiento de emulsiones el mecanismo que justifica los resultados obtenidos es similar al del NET. Sin embargo, en este caso el mayor porcentaje de eliminación se consigue para electrodos de hierro, ya que la carga superficial positiva de los hidróxidos de aluminio puede favorecer que parte de las microgotas de la emulsión permanezcan en la fase acuosa. A pesar de los distintos mecanismos de coagulación predominantes en el tratamiento de cada tipo de agua residual, en todos los casos se obtienen rendimientos en el proceso de eliminación del contaminante superiores al 80 %, si bien las dosis requeridas para alcanzar este máximo son inferiores cuando se emplea aluminio como material electródico. El estudio de las características de las burbujas de hidrógeno generadas en procesos de electroflotación revela que el medio de reacción utilizado influye significativamente en la cantidad y características de las burbujas de hidrógeno formadas. Así, la mayor cantidad de burbujas y de menor diámetro se obtienen para valores de pH próximos a 7. La densidad de corriente aplicada también influye en gran medida en el proceso. Así, la cantidad de burbujas de hidrógeno aumentan con la densidad de corriente mientras que la variación del diámetro medio con la densidad de corriente muestra un mínimo para 2,5 mAcm-2. El tipo de material catódico y sus características superficiales también influyen en la cantidad y tamaño de las burbujas de hidrógeno generadas en el proceso. Cuando se utiliza un cátodo de titanio se obtienen mayores valores de diámetro medio y número de burbujas que si se emplea acero inoxidable. En los estudios de optimización del reactor combinado de electrocoagulación-electroflotación se ha observado que el empleo de este reactor combinado es especialmente adecuado para el tratamiento de aguas residuales contaminadas con NET o emulsiones. Para estos contaminantes se obtienen los valores de eliminación de contaminantes de 80 % y 100 %, respectivamente. Además, la proporción de sólidos flotados en el reactor cuando se trabaja con NET y emulsiones es muy superior que cuando se trabaja con caolinita como consecuencia de la menor densidad que presentan los dos primeros. En conclusión, el presente trabajo ha demostrado la viabilidad de los procesos combinados de electrocoagulación-electroflotación en el tratamiento de aguas residuales. Además, se han analizado satisfactoriamente los principales mecanismos de coagulación que predominan en el tratamiento de tres tipos de aguas residuales sintéticas de acuerdo con las distintas especies de hidrólisis de aluminio y hierro formadas en el proceso.