Proyecto Final LUF

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Química

Laboratorio Unificado de Fisicoquímica

Proyecto final Electrocoagulación como método para el tratamiento de aguas residuales grises Alumnos:

Morlet Espinoza Javier Rodríguez Monroy Daniel Arturo Sánchez Guillén Marisa Gabriela Profesora:

Lemus Barajas Ma. Guadalupe

Viernes 23 de noviembre de 2012

INTRODUCCIÓN El tratamiento de agua contaminada va cobrando importancia a medida que las fuentes de agua se van agotando. Un tipo de agua contaminada cuyo tratamiento es relativamente fácil es el agua gris. El agua gris consiste en el agua contaminada proveniente del lavabo, la lavadora o de la regadera, es decir, agua residual que no contiene desechos humanos. Tiene una baja cantidad de agentes patógenos por lo que es más fácil de tratar que el agua negra pero el sistema de drenaje deshecha toda el agua junta, es decir, mezcla el agua gris con el agua negra. Pero el agua gris se puede recolectar fácilmente utilizando cubetas. En el presente documento se estudia y explica un método sencillo de purificación de agua gris que es la electrocoagulación. La electrocoagulación es un procedimiento utilizado para desestabilizar sistemas dispersos. Un sistema disperso consiste en una mezcla homogénea de dos sustancias que son inmiscibles o insolubles. La razón por la cual existen estos sistemas es porque contienen compuestos tensoactivos. Estos compuestos consisten en moléculas orgánicas con forma piriforme, es decir, tiene una cabeza y una cola; la cola es hidrofóbica, no le gusta el agua, y la cabeza es hidrofílica, es afín al agua. Los tensoactivos se clasifican en iónicos: catiónicos y aniónicos, y en no iónicos. A cierta concentración, llamada concentración micelar crítica, estas sustancias empiezan a formar agregados llamados micelas. Cuando se tiene agua o un compuesto polar, los tensoactivos se van agregando en la superficie del líquido, pero una vez llena la superficie, los tensoactivos se reúnen formando micelas, en donde las cabezas están en contacto con el agua y las colas se mantienen aisladas. Pero dentro de las colas puede almacenarse moléculas de grasa:

Los detergentes contienen tensoactivos, entre otras cosas, para remover la suciedad de naturaleza grasa. El agua gris, por lo tanto es un sistema disperso. La coagulación es proceso de desestabilización de coloides, sistemas dispersos con partículas de tamaño grande. Los coloides forman lo que se llama doble capa eléctrica:

El coagulante es una sustancia que reduce las repulsiones electrostáticas. Esto hace que las partículas coloidales empiecen a agruparse, lo que se llama floculación, que de acuerdo a la ecuación de Stokes, que predice que al aumentar el radio de las partículas, estas comenzaran a flotar y a sedimentar. La electrocoagulación consiste en formar el agente coagulante in situ, aplicando una corriente eléctrica a unos electrodos que provoca una serie de reacciones químicas, cuyo resultado final es la estabilidad de las moléculas contaminantes. Los electrodos más utilizados en la electrocoagulación son el hierro y el aluminio, por ser baratos y por dar una alta eficiencia. Un ejemplo de un sistema de electrocoagulación con un ánodo de aluminio y un cátodo de hierro es:

En los electrodos ocurren una serie de reacciones que proporcionan iones tanto positivos como negativos. El ánodo provee iones metálicos, por lo que se va disolviendo y se le nombra como electrodo de sacrificio. MATERIAL         

Fuente de fuerza electromotriz 3 soportes universales 3 pinzas de tres dedos 4 caimanes Multímetro Potenciómetro Turbidímetro Conductímetro 10 vasos de precipitado de 50 mL

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4 vasos de precipitado de 150 mL 1 g de Cloruro de Sodio 1 g de Hidróxido de Sodio 7 clips de “mariposa” como electrodo de sacrifico 2 palitos largos de madera Agua Gris 1 barra de grafito Agitador magnético

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Parrilla Bomba de pecera Pipeta volumétrica de 1 mL Pipeta volumétrica de 50 mL Detergente liquido para ropa marca “Persil”

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Matraz aforado de 100 mL Matraz Erlenmeyer de 100 mL Papel filtro Tensiómetro

DISEÑO EXPERIMENTAL 1. Construcción de isoterma de Gibbs Tomar una muestra de 1 mL de detergente liquido para ropa marca “persil”, determinar su masa y aforar a 100 mL, tomar una muestra de 50 mL de ese aforado y aforar el resto a 100 mL, realizar estas diluciones hasta tener 10 muestras diluidas. Utilizar el tensiómetro para determinar la tensión superficial de las diluciones. 2. Caracterización del agua gris y muestras tratadas Tomar una muestra de 50 mL de agua gris y con el conductimetro medir la conductividad, con el potenciómetro el pH, con el turbidimetro la turbidez y con el tensiómetro la tensión superficial 3. Electrocoagulación Armar el sistema de trabajo como se ilustra en la figura 1, tomar una muestra de 50 mL de agua gris y ajustar la fuente de poder al potencial deseado, agregar 1 g de cloruro de sodio al agua para aumentar la intensidad de corriente, ajustar el pH de la solución entre 7 y 9, introducir los electrodos. Tomar registro de la variación de pH e intensidad de corriente cada minuto después de aplicar la corriente. Esperar a que se formen floculos y se transparente el agua de nuevo, introducir aire de vez en cuando.

Fig. 1 Sistema de electrocoagulación

RESULTADOS Se contruyó la gráfica de presión superficial contra masa de detergente y se obtuvo que la concentración micelar critica (cmc) es: 0.0236 g Se realizaron diversos experimentos, en los cuales las variables fueron distancia de separación entre electrodos, voltaje suministrado al sistema, intensidad de corriente, pH inicial. Aplicando esas variaciones, se caracterizaron las muestras de aguas electrocoaguladas y se obtuvo lo siguiente:

Muestra 1 2 3 4 5 6 7 8 Voltaje (V) 0.41 2.5 3 2.03 2 1.54 1.09 0.6 Intensidad eléctrica 0.004 0.03 0.01 0.141 0.131 0.152 0.091 0.024 máxima (A) Intensidad eléctrica 0.004 0.03 0.01 0.107 0.112 0.113 0.073 0.019 promedio (A) Distancia entre 2 2 2 2.2 2 1 1 2 electrodos (cm) Turbidez 86.2 80 80 45 45 48 48 48 inicial (UNT) Turbidez final 13 5 3.3 4 8.1 (UNT) Conductividad 532 606 606 360 360 383 383 383 inicial (S) Conductividad 22 18 13.3 10.53 39.2 final (S) pH inicial 8 6.5 6.5 7.6 6.6 7.8 7.9 7.4 pH final 9 8 8.00 8.34 8 Tensión superficial 31.5 31.5 31.5 31.5 31.5 31.5 31.5 31.5 inicial (mN/m) • Nota: El agua gris utilizada tenía una fracción volumen de detergente de 1.387x10-3

9’ 1.11 0.106

0.72

1.5

56.4 2.8 300 17.03 9 9.55 -

La muestra 1- No se llevó a cabo el proceso de electrocoagulación, debido a que el voltaje e intensidad eléctrica eran muy bajos y había muy poco electrodo de sacrificio

La muestra 2 – Se llevó a cabo parcialmente el proceso de electrocoagulación pero se terminó contaminando más el agua pues los iónes Fe2+ se solubilizaron. La muestra 3- No se llevó a cabo el proceso de electrocoagulación pues el electrodo de sacrificio utilizado no era de hierro, si no una mezcla de aluminio, cobre, zinc y magnesio. Las muestras 4, 5, 6, 7 y 8 se llevó a cabo la electrocoagulación con éxito pero algunas tuvieron más eficiencia que otras. La muestra 9’ fue una muestra de agua contaminada con hidróxido de amonio, trazas de sulfato de cobre y cromatos; En la cual se logró con éxito la electrocoagulación. Se puede corroborar la ley de Faraday pues al realizar el calculo de la masa que debió haber reaccionado, este resultado es muy próximo al de la masa perdida del electrodo de sacrificio ANÁLISIS DE RESULTADOS. Tomando en cuenta las variables que medimos en los diferentes experimentos pudimos observar que al incrementar mucho el voltaje aceleramos la generación de iones Fe 2+ haciendo que el pH disminuyera de manera que los flóculos se solubilizaron. Se observó que el voltaje debe de ser regulado entre 1-1.5 para que la reacción se lleve a cabo a una velocidad adecuada en la que la reacción se efectúe pero no tan rápido que los flóculos formados se solubilicen contaminando así el agua. Observamos que a menor voltaje mayor tiempo de proceso. Debemos de iniciar con un pH de las soluciones a tratar preferentemente arriba de 7 ya que de esta manera es más eficiente la generación de iones y así mismo de flóculos, la literatura nos dice que lo ideal es terminar la electrocoagulación en un pH entre 8-8.5, ya que de esta forma nos indica que el agua está libre casi en su totalidad de iones de Fe2+. Por otro lado se debe observar la intensidad de la reacción ya que tanto esta como el pH nos ayudan como indicadores de formación de flóculos. La intensidad debe de estar entre 0.07-0.11 A para que sea óptima la reacción, la intensidad es afectada directamente por el voltaje y por la adición de sal al sistema ya que la generación de iones Na+ y Cl- acelera el proceso de interacción entre las moléculas. Observamos que si queríamos aumentar o mantener la intensidad de la reacción disminuyendo el voltaje, era necesario agregar aproximadamente 1 g de sal. La reacción se optimizó al acercar los electrodos más ya que de esta manera los iones no necesitan “viajar” tanta distancia para poder aglomerarse, la distancia óptima fue de 1 cm. Así mismo es importante considerar el área de contacto de los electrodos de sacrificio ya que el área debe de ser relativamente grande para que la producción de Fe2+ sea más rápida y eficiente. Los electrodos deben de ser lijados para que de esta manera sea en su mayoría hierro puro, ya que muchas veces el recubrimiento produce sedimentos que muchas veces son contaminantes.

CONCLUSIONES El tratamiento de agua es un aspecto crucial ante la escasez y mala distribución de agua por lo que el reúso y recirculación son operaciones que hacen parte de las estrategias de manejo del agua. Estos tratamientos deben tener una alta eficiencia, bajos costos y adicionalmente traer ventajas ambientales. Los métodos químicos y biológicos requieren mayor área de trabajo, mayor gasto de energía, mayor producción de lodos, mayor tiempo y mayor costo de producción que la electrocoagulación. Por consiguiente, concluimos que la electrocoagulación es en la actualidad una tecnología emergente que ofrece un potencial muy grande en la remoción fácil y eficiente de muy diversos contaminantes contenidos en las aguas residuales de diferentes fuentes, es un método que no produce casi lodos y no es costoso en la necesidad de sustancias químicas. Es necesario perfeccionar el diseño de reactores para la electrocoagulación, la selección de los materiales de los electrodos y las condiciones de operación son aspectos que deben mejorarse para optimizar los procesos y hacerlos económicamente competitivos.

BIBLIOGRAFÍA 

Cañizares, Pablo; Jimenez, Carlos; Martines, Fabiola; Sáez, Cristina; Rodrido Manuel. Estudio de el proceso de electrocoagulación usando electrodos de aluminio y hierro. Ind. Eng. Chem. Res, 2007, 46, 6189-6195.

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Divagarlakshmanan , Dennisa . Clifford , * And Gautamsamanta. Ferrous and ferric ion generation during iron electrocoagulation. 2009, University of Houston, Houston Texas.

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García Vera, Mariana. Tratamiento de aguas grises con alternativas factibles y económicas. México, 2010, Universidad Nacional Autónoma de México, Facultad de Química, Ingeniería química

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http://vivienda.ine.gob.mx/index.php/agua/recoleccion-recliclado-y-reuso-de-agua/aguasgrises