Electrocoagulación

La Electrocoagulación (EC) es una técnica utilizada para el tratamiento de aguas residuales, tratamiento de aguas de lavado, agua procesada industrialmente y tratamientos médicos. La electrocoagulación se ha convertido en un área de rápido crecimiento en el tratamiento de aguas residuales debido a su capacidad para eliminar contaminantes que generalmente son más difíciles de eliminar mediante filtración o sistemas de tratamiento químico, como aceite emulsionado, hidrocarburos totales de petróleo, compuestos orgánicos refractarios, sólidos suspendidos y metales pesados. Hay muchas marcas de dispositivos de electrocoagulación disponibles, y su complejidad puede variar desde un simple ánodo y cátodo hasta dispositivos mucho más complejos con control sobre los potenciales de los electrodos, pasivación, consumo del ánodo, potenciales REDOX de la celda, así como la introducción de sonido ultrasónico, ultravioleta. luz y una gama de gases y reactivos para conseguir los llamados Procesos de Oxidación Avanzada de sustancias orgánicas refractarias o recalcitrantes.

Tratamiento de Aguas y Aguas Residuales

Con las últimas tecnologías, la reducción de los requisitos de electricidad y la miniaturización de los suministros de energía necesarios, los sistemas EC ahora se han vuelto asequibles para plantas de tratamiento de agua y procesos industriales en todo el mundo.

Fondo

Electrocoagulación ("electro", que significa aplicar una carga eléctrica al agua, y "coagulación", que significa el proceso de cambiar la carga superficial de las partículas, lo que permite que la materia suspendida forme una aglomeración ) es una tecnología de tratamiento de agua avanzada y económica. Elimina eficazmente sólidos suspendidos a niveles submicrométricos, rompe emulsiones como aceite, grasa o látex, y oxida y erradica metales pesados del agua sin el uso de filtros ni la adición de productos químicos de separación.

Se conoce una amplia gama de técnicas de tratamiento de aguas residuales, que incluyen procesos biológicos de nitrificación, desnitrificación y eliminación de fósforo, así como una variedad de procesos fisicoquímicos que requieren adición de productos químicos. Los procesos de tratamiento físico-químico comúnmente utilizados son la filtración, la extracción con aire, el intercambio iónico, la precipitación química, la oxidación química, la adsorción de carbono, la ultrafiltración (UF), la ósmosis inversa (RO), la electrodiálisis, la volatilización y la extracción con gas.

Beneficios

• La filtración mecánica aborda sólo dos problemas en lavar el agua de lavabo: sólidos suspendidos superiores a 30 μm, y aceite libre y grasa. El aceite emulsionado y la grasa causan daños a los filtros de medios, lo que resulta en altos costos de mantenimiento. La electrocoagulación no utiliza el tamaño de partículas para proporcionar separación física.
• Tratamiento químico aborda sólidos suspendidos, aceite y grasa, y algunos metales pesados, pero puede requerir la adición de varios floculantes y coagulantes, así como ajustes de pH para el tratamiento adecuado. Esta tecnología requiere la adición de químicos que pueden ser costosos, desordenados, peligrosos y tratamientos intensivos en mano de obra. Este proceso requiere además de aire comprimido para la flotación de contaminantes coagulados. Generalmente la filtración se utiliza sólo como fase post-tratamiento para el pulido.

Tecnología

El tratamiento de aguas residuales y de lavado mediante CE se ha practicado durante la mayor parte del siglo XX con una popularidad cada vez mayor. En la última década, esta tecnología se ha utilizado cada vez más en Estados Unidos, América del Sur y Europa para el tratamiento de aguas residuales industriales que contienen metales. También se ha observado que en América del Norte la AE se ha utilizado principalmente para tratar aguas residuales de las industrias de pulpa y papel, minería y procesamiento de metales. Una gran aplicación de torre de enfriamiento de mil galones por minuto en El Paso, Texas, ilustra el creciente reconocimiento y aceptación de la electrocoagulación en la comunidad industrial. Además, la CE se ha aplicado para tratar aguas que contienen residuos de alimentos, residuos de petróleo, colorantes, productos del transporte público y puertos deportivos, agua de lavado, tintas, partículas en suspensión, residuos de pulidos químicos y mecánicos, materia orgánica de lixiviados de vertederos, defluoración de agua, efluentes de detergentes sintéticos y soluciones que contienen metales pesados. La electrocoagulación no se suele utilizar para el tratamiento de aguas residuales domésticas.

Proceso de coagulación

La coagulación es una de las reacciones fisicoquímicas más importantes utilizadas en el tratamiento del agua. Los iones (metales pesados) y los coloides (orgánicos e inorgánicos) se mantienen en solución principalmente mediante cargas eléctricas. La adición de iones con cargas opuestas desestabiliza los coloides, permitiéndoles coagularse. La coagulación se puede lograr mediante un coagulante químico o mediante métodos eléctricos. El alumbre [Al₂(SO₄)₃^.18H2O] es una sustancia química de este tipo, que ha sido ampliamente Se utiliza desde hace años para el tratamiento de aguas residuales.

El mecanismo de la coagulación ha sido objeto de revisión continua. Generalmente se acepta que la coagulación se produce principalmente por la reducción de la carga superficial neta hasta un punto en el que las partículas coloidales, previamente estabilizadas por repulsión electrostática, pueden acercarse lo suficiente como para que las fuerzas de Van der Waals las mantengan unidas y permitan la agregación. La reducción de la carga superficial es consecuencia de la disminución del potencial repulsivo de la doble capa eléctrica por la presencia de un electrolito de carga opuesta. En el proceso EC, el coagulante se genera in situ mediante oxidación electrolítica de un material de ánodo apropiado. En este proceso, las especies iónicas cargadas (metales u otros) se eliminan de las aguas residuales permitiéndoles reaccionar con un ion que tiene una carga opuesta o con un flóculo de hidróxidos metálicos generados dentro del efluente.

La electrocoagulación ofrece una alternativa al uso de sales metálicas o polímeros y la adición de polielectrolitos para romper emulsiones y suspensiones estables. La tecnología elimina metales, sólidos y partículas coloidales y contaminantes inorgánicos solubles de medios acuosos mediante la introducción de especies de hidróxido metálico polimérico altamente cargadas. Estas especies neutralizan las cargas electrostáticas de los sólidos suspendidos y las gotas de aceite para facilitar la aglomeración o coagulación y la separación resultante de la fase acuosa. El tratamiento provoca la precipitación de determinados metales y sales:

La coagulación química se ha utilizado durante décadas para desestabilizar las suspensiones y efectuar precipitaciones de especies de metales solubles, así como otras especies inorgánicas de corrientes acuosas, permitiendo así su eliminación mediante sedimentación o filtración. Alum, lime y/o polímeros han sido los coagulantes químicos utilizados. Estos procesos, sin embargo, tienden a generar grandes volúmenes de lodos con alto contenido de agua ligada que puede ser lento para filtrar y difícil de desaguar. Estos procesos de tratamiento también tienden a aumentar el contenido total de sólidos disueltos (TDS) del efluente, lo que lo hace inaceptable para la reutilización en aplicaciones industriales.

Aunque el mecanismo de electrocoagulación se asemeja a la coagulación química en que las especies cónicas son responsables de la neutralización de las cargas superficiales, las características del rebaño electrocoagulado difieren dramáticamente de las generadas por la coagulación química. Un rebaño electrocogulado tiende a contener agua menos atada, es más resistente al desgaste y es más fácil de filtrar.

Descripción

En su forma más simple, un reactor de electrocoagulación se compone de una celda electrolítica con un ánodo y un cátodo. Cuando se conecta a una fuente de energía externa, el material del ánodo se corroerá electroquímicamente debido a la oxidación, mientras que el cátodo estará sujeto a pasivación.

Un sistema EC consiste esencialmente en pares de placas metálicas conductoras en paralelo, que actúan como electrodos monopolares. Además requiere una fuente de alimentación de corriente continua, una caja de resistencia para regular la densidad de corriente y un multímetro para leer los valores actuales. Las placas de metal conductoras se conocen comúnmente como "electrodos de sacrificio". El ánodo de sacrificio reduce el potencial de disolución del ánodo y minimiza la pasivación del cátodo. Los ánodos y cátodos de sacrificio pueden ser del mismo o de diferentes materiales.

La disposición de electrodos monopolares con celdas en serie es eléctricamente similar a una sola celda con muchos electrodos e interconexiones. En la disposición de celdas en serie, se requiere una mayor diferencia de potencial para que fluya una corriente determinada porque las celdas conectadas en serie tienen mayor resistencia. Sin embargo, por todos los electrodos circularía la misma corriente. Por el contrario, en la disposición paralela o bipolar la corriente eléctrica se divide entre todos los electrodos en relación a la resistencia de las células individuales, y cada cara del electrodo tiene una polaridad diferente.

Durante la electrólisis, el lado positivo sufre reacciones anódicas, mientras que en el lado negativo, se encuentran reacciones catódicas. Las placas de metal consumibles, como el hierro o el aluminio, se suelen utilizar como electrodos de sacrificio para producir iones en el agua de forma continua. Los iones liberados neutralizan las cargas de las partículas e inician así la coagulación. Los iones liberados eliminan contaminantes indeseables ya sea mediante reacción química y precipitación, o haciendo que los materiales coloidales se fusionen, que luego pueden eliminarse mediante flotación. Además, a medida que el agua que contiene partículas coloidales, aceites u otros contaminantes se mueve a través del campo eléctrico aplicado, puede haber ionización, electrólisis, hidrólisis y formación de radicales libres que pueden alterar las propiedades físicas y químicas del agua y los contaminantes. Como resultado, el estado reactivo y excitado hace que los contaminantes se liberen del agua y se destruyan o se vuelvan menos solubles.

Es importante tener en cuenta que la tecnología de electrocoagulación no puede eliminar la materia infinitamente soluble. Por lo tanto, los iones con pesos moleculares menores que Ca⁺² o Mg⁺² no pueden disociarse del medio acuoso.

Reacciones dentro del reactor de electrocoagulación

Dentro del reactor de electrocoagulación, se producen varias reacciones electroquímicas distintas de forma independiente. Estos son:

• Véanse, resultante de la reducción del ánodo de iones de metal que se convierten en nuevos centros para complejos más grandes, estables e insolubles que precipitan como iones de metal complejos.
• Emulsion Breaking, resultante de los iones de oxígeno e hidrógeno que se unen a los sitios de receptores de agua de moléculas de aceite emulsionadas creando un complejo insoluble en agua que separa el agua del aceite, el barro de la perforadora, tintes, tintas, ácidos grasos, etc.
• Halogen Complexing, ya que los iones de metal se unen a los cloros en una molécula de hidrocarburo clorada que resulta en un gran complejo insoluble que separa el agua de pesticidas, herbicidas, PCBs cloradas, etc.
• Bleaching por los iones de oxígeno producidos en la cámara de reacción oxida los tintes, cianuros, bacterias, virus, peligros biológicos, etc. Inundación electrones de electrodos forzados a formar iones para llevar carga en el agua, eliminando así el efecto polar del complejo de agua, permitiendo que los materiales coloides se precipitan y el transporte de ion controlado actual entre los electrodos crea una presión osmótica que normalmente rompe bacterias, quistes y virus.
• Oxidación y reducción Las reacciones se ven obligadas a su punto final natural dentro del tanque de reacción que acelera el proceso natural de la naturaleza que ocurre en la química húmeda, donde los gradientes de concentración y los productos de solubilidad (KsP) son los principales determinantes para permitir que las reacciones lleguen a la terminación estequiométrica.
• Electrocoagulación PH inducido oscila hacia neutral.

Optimización de reacciones

Es esencial una selección cuidadosa del material del tanque de reacción junto con el control de la corriente, el caudal y el pH. Los electrodos pueden estar hechos de hierro, aluminio, titanio, grafito u otros materiales, dependiendo del agua residual a tratar y de los contaminantes a eliminar. La temperatura y la presión parecen tener sólo un efecto menor en el proceso.

En el proceso EC, la mezcla de agua y contaminantes se separa en una capa flotante, un sedimento floculado rico en minerales y agua clara. La capa flotante generalmente se elimina mediante un vertedero de desbordamiento o un método de eliminación similar. La masa floculante agregada se deposita debido a la fuerza gravitacional en el recipiente de reacción o en tanques de sedimentación posteriores.

Después de la extracción a un tanque de recolección de lodos, generalmente se deshidrata hasta obtener una torta semiseca utilizando una prensa de tornillo mecánica. El agua clara tratada (sobrenadante) normalmente se bombea a un tanque de amortiguación para su posterior eliminación y/o reutilización en el proceso designado por la planta.

Ventajas

• EC requiere equipo simple y es fácil de operar con suficiente latitud operacional para manejar la mayoría de los problemas encontrados en el funcionamiento.
• Aguas residuales tratadas por EC da agua palabrera, clara, incolora e inodoro.
• Los lodos formados por la CE tienden a ser fácilmente estables y fáciles de de desagua, en comparación con los lodos de alumbre convencional o hidroxido férrico, porque los óxidos/hidroxidos principalmente metálicos no tienen carga residual.
• Las inundaciones formadas por EC son similares al floc químico, excepto que el floc EC tiende a ser mucho mayor, contiene menos agua atada, es resistente al ácido y más estable, y por lo tanto, puede separarse más rápido por filtración.
• EC puede producir efluente con menos contenido de TDS en comparación con tratamientos químicos, especialmente si los iones metálicos pueden precipitarse como hidroxidos o carbonatos (como magnesio y calcio). EC generalmente tiene poco si cualquier impacto en iones de sodio y potasio en solución.
• El proceso de la CE tiene la ventaja de eliminar las partículas colloidales más pequeñas, porque el campo eléctrico aplicado neutraliza cualquier carga residual, facilitando así la coagulación.
• El proceso de la CE generalmente evita el uso excesivo de los productos químicos y por lo tanto se reduce el requisito de neutralizar el exceso de productos químicos y menos posibilidades de contaminación secundaria causada por sustancias químicas agregadas a alta concentración como cuando se utiliza la coagulación química de las aguas residuales.
• Las burbujas de gas producidas durante el electrolisis pueden llevar cómodamente los componentes contaminantes a la parte superior de la solución donde se puede concentrar, recoger y eliminar más fácilmente por un skimmer motorizado.
• Los procesos electrolíticos en la célula CE se controlan eléctricamente y sin partes móviles, lo que requiere menos mantenimiento.
• La dosificación de aguas residuales entrantes con hipoclorito sodio ayuda a reducir la demanda de oxígeno bioquímico (BOD) y la consiguiente demanda de oxígeno químico (COD) aunque esto debe evitarse para aguas residuales que contienen altos niveles de compuestos orgánicos o amoníaco disuelto (NH4+) debido a la formación de metanos trihalogenados (THMs) u otros orgánicos clorados. El hipoclorito de sodio puede generarse electrolíticamente en una célula E usando electrodos de platino y similares de inerte o usando electrocloradores externos.
• Debido a la excelente eliminación EC de sólidos suspendidos y la simplicidad de la operación CE, las pruebas realizadas para la Oficina de Investigación Naval de EE.UU. concluyeron que la aplicación más prometedora de EC en un sistema de membrana se encontró como pretratamiento a un sistema multimembrano de UF/RO o microfiltración/osmosis reversa (MF/RO). En esta función, la CE proporciona protección de la membrana de baja presión que es más general que la proporcionada por la coagulación química y más eficaz. EC es muy eficaz para eliminar una serie de especies de fouling de membrana (como silica, hidroxidos de metal alcalino y metales de grupo de transición) así como la eliminación de muchas especies que la coagulación química por sí sola no puede eliminar. (ver Orgánicas Refractarias)

Tratamiento médico

Se utiliza una sonda de alambre fino u otro mecanismo de administración para transmitir ondas de radio a los tejidos cercanos a la sonda. Se hace que las moléculas del tejido vibren, lo que provoca un rápido aumento de la temperatura, lo que provoca la coagulación de las proteínas del tejido y lo mata eficazmente. En aplicaciones de mayor potencia, es posible la desecación total del tejido.