COMPARACIÓN DE DOS MEMBRANAS SELECTIVAS

COMPARACIÓN DE DOS MEMBRANAS SELECTIVAS MONOPOLARES DE
INTERCAMBIO ANIÓNICO EN LA REMOCIÓN DE NITRATOS
L. M. Alvarez, A. Montes
Laboratorio de Electroquímica-CIEP, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad
Autónoma de San Luis Potosí, Av. Dr. Manuel Nava No. 6, Zona Universitaria;
C.P. 78250 San Luis Potosí, México, [email protected].
RESUMEN
Dentro de la electroquímica los métodos asistidos con membrana son de gran utilidad para el tratamiento
de efluentes. Entre estos métodos se encuentra la electrodiálisis. Una de las ventajas de la electrodiálisis
es la minimización de reactivos durante su desarrollo, así como la aplicación de condiciones de operación
próximas a las medioambientales.
En este trabajo se realizó la optimización de un electrodializador elaborado en laboratorio en el proceso
de eliminación de nitratos utilizando soluciones sintéticas. Los parámetros que se estudiaron fueron la
naturaleza de las membranas, la concentración de nitratos y finalmente el flujo de la solución a través del
electrodializador.
Al variar la concentración de nitratos, la membrana ACS presentó una corriente límite superior
(0.425 mA - 3.84 mA) respecto a la membrana ACM (0.285 mA - 3.1 mA) en todo el rango de valores de
estudio.
A diferentes flujos (0 mL/min - 35 mL/min), la membrana ACS presenta una mayor corriente límite
(208 mA-162.2 mA), en comparación a la ACM (148 mA - 58 mA).
Finalmente, la membrana ACS presenta una mayor remoción del ión nitrato (99.6 %) en comparación con
la membrana ACM (32.1 %) a 25 mL/min en un tiempo de 80 minutos. El mismo comportamiento se
presentó a diferentes flujos (5 mL/min -35 mL/min).
1. INTRODUCCIÓN
Uno de los contaminantes generados por la industria metal mecánica es el ión nitrato. Este contaminante
ha sido eliminado principalmente por evaporación; sin embargo este proceso resulta muy caro si los
volúmenes de efluente son elevados. Por tal motivo se tiene que estudiar una metodología que nos
permita superar este inconveniente.
La electroquímica nos aporta diversas técnicas para la recuperación del agua a partir del tratamiento de
efluentes industriales. Dentro de estas operaciones se encuentran los métodos asistidos por membranas
que han sido utilizados desde los años sesentas con diferentes fines (1).
Entre los métodos asistidos por membrana la Electrodiálisis (ED) ha demostrado su eficiencia
principalmente en la recuperación de agua o en la desmineralización de soluciones provenientes de la
industria metalúrgica (2), en la separación de iónes mono y divalentes de soluciones acuosas (3), en el
tratamiento de soluciones de aminoácidos (4), en la separación de níquel de una solución de cobalto (5), o
en la obtención de agua potable a partir de agua de mar (6) en este ultimo caso la ED ha tenido su mayor
auge.
Dentro de las ventajas que nos ofrece esta técnica se encuentra que las condiciones de operación no se
alejan de las medioambientales al mismo tiempo la utilización de agentes químicos es mínima.
1.1 Marco teórico de la ED
La ED aprovecha los fenómenos que ocurren en una membrana selectiva, estos procesos son descritos
brevemente a continuación.
El proceso de transporte iónico en una membrana selectiva consiste en inducir el desplazamiento de las
especies iónicas a través de ella gracias a la diferencia de potencial (∆E) entre dos electrodos (Figura 1).
Figura 1. Esquema del principio de funcionamiento de una membrana selectiva (7).
La selectividad de las membranas depende de la carga fija que contenga, por ejemplo, las membranas con
carga fija positiva permitirán el paso de especies cargadas negativamente (membranas aniónicas, MA).
Ocurre un proceso equivalente en el caso de las membranas que contienen cargas fijas negativas
(membranas catiónicas, MC).
Para llevar a cabo la separación de las especies cargadas se necesita un arreglo alternado de estas
membranas en un marco estructural de un material resistente con el cual se ensamblan dos
compartimientos electródicos y un conjunto de espaciadores.
Al tener este arreglo alternado de membranas y de acuerdo la función que realiza cada una de estas se
podrá obtener un compartimiento diluido y un concentrado al migrar cada especie hacia el electrodo al
que es atraído (Figura 2).
Uno de los parámetros importantes a considerar en el proceso de la ED es la corriente límite (Ilim) ya que
su adecuada selección permite que no ocurra ningún otro proceso (por ejemplo la polarización y la
hidrólisis del agua) que disminuya su rendimiento. Este valor se conoce a partir de una curva potencial vs.
intensidad (curva de polarización), obtenida en el electrodializador con el efluente a tratar. En la figura 2
se muestra una curva de polarización con sus diferentes zonas, en la región I se produce la migración de
los iónes a través de la membrana y esta gobernada por la ley de Ohm. En la región II se alcanza la Ilim y
se inicia la hidrólisis del agua. En la región III el aumento de la corriente aún no es aclarada en su
totalidad (8).
Figura 2. Esquema de una típica curva de polarización
Se recomienda trabajar a un 80 o 70 % de la Ilim (9) para asegurarse de que los procesos indeseables no
aumenten los costos.
Según la expresión:
Ilim = zDFcb/(tm-ts)………. (1)
m
Donde t es el número de transporte del contra-ión en la membrana, z es la carga de la especie iónica, F
es la constante de Faraday, ts es el número de transporte del contra-ión en la capa de difusión, D es el
coeficiente de difusión, cb es la concentración en el seno de la solución,  es el espesor de la capa de
difusión.
La Ilim es directamente proporcional a la concentración de la solución por lo que es necesario determinar
ésta cada vez que cambia la concentración de nuestro efluente.
El proceso de la ED conlleva el importante análisis de las variables propias del proceso las cuales entre
otras pueden ser: velocidad del flujo de alimentación, naturaleza de las membranas, temperatura, etc. (10).
2. OBJETIVO
Optimización de un electrodializador elaborado en el laboratorio, utilizando soluciones sintéticas de
KNO3 de diferentes concentraciones, y dos MA denominadas ACM y ACS.
Las MA ACS y ACM tienen como cargas fijas grupos funcionales amonio cuaternario.
La membrana ACS tiene como característica principal el ser selectiva a iónes monovalentes en tanto que
la membrana ACM tiene una baja permeabilidad de protones
3. CONDICIONES Y ESTRATEGIA EXPERIMENTALES
3.1 Diseño del electrodializador
Los siguientes componentes fueron empleados en la fabricación del electrodializador:
i.
El cuerpo del electrodializador se construyó utilizando laminas de plexiglás de diferente espesor.
Para los separadores se utilizó un espesor de 0.6 cm teniendo como dimensiones en su parte
interior de 11 cm por 7 cm. Se incluyo una malla de plástico para crear turbulencia. En cuanto a
los compartimientos de enjuague de electrodos, el espesor fue de 1.2 cm con dos orificios hacia
el exterior donde se conectará una bomba de recirculación tipo fuente (127 V, 60 Hz).
ii.
Las membranas de trabajo MC (CMX) y MA (ACM y ACS) son membranas comerciales del
proveedor Tokuyama Soda Company Ltd.
iii.
Como electrodos se utilizaron 2 mallas de titanio con dimensiones de 10 cm por 6 cm
iv.
Para garantizar la hermeticidad del electrodializador se utilizaron tornillos de acero inoxidable
de 3/8 de pulgada distribuidos estratégicamente en las láminas de plexiglás.
v.
Las membranas fueron enmarcadas en unas plantillas de plástico especialmente diseñadas para
evitar fugas.
3.2 Estrategia experimental
La estrategia experimental consistió en dos partes: En una primera parte se utilizó un solo tipo de
membrana y se obtuvo la curva de polarización a diferentes concentraciones en régimen estático. En una
segunda parte se escogió arbitrariamente una concentración de NO 3- y se utilizó el electrodializador en
flujo para estudiar el efecto de la velocidad de flujo.
3.3 Soluciones
Las soluciones de nitratos empleadas para obtener las curvas de polarización fueron preparadas a partir de
la sal de KNO3 grado reactivo (Fermont) y agua desionizada (Fermont). Las concentraciones utilizadas
fueron de 500 ppm (0.007 M), 1000 ppm (0.014 M), 2000 ppm (0.029 M), 3000 ppm (0.044 M),
4000 ppm (0.058 M), y la solución de lavado se preparó a partir de la sal Na 2SO4 grado reactivo
(Fermont) y agua desionizada (Fermont) a una concentración de 14000 ppm (0.099 M) según lo sugerido
en literatura. (11)
3.4 Montaje experimental
Se diseñó un dispositivo experimental para utilizar una sola membrana de manera que fuera fácilmente
manipulable. El dispositivo (Figura 3) consistió de dos vasos de 50 mL con un tubo de 2 cm de longitud
con diámetro interno de 1 cm.
Los electrodos fueron dos espirales de platino (1). Como electrodos de referencia se utilizaron dos
electrodos de Ag/AgCl (2) alojados en compartimientos con NaCl 3 M, los cuales fueron colocados lo
más cerca posible en puntos opuestos de la membrana para medir la E producida durante la migración
de los iónes. De igual manera, se utilizaron dos multímetros (3,4) para medir la E en la membrana y la
corriente que fluía debido al voltaje impuesto por una fuente de poder (5).
Figura 3. Representación esquemática del montaje experimental para la caracterización una membrana a
régimen estático, 1)Espiral de platino como electrodo de trabajo, 2)Fuente de poder, 3)Multímetro,
4)Voltímetro, 5)Electrodos de referencia de Ag/AgCl.
3.5 Electrodiálisis
3.5.1 Montaje experimental
El arreglo de las membranas que se utilizó para los experimentos fue: dos MC (CMX) y una MA (ACS o
ACM).
Se determinó la Ilim a diferentes velocidades de flujo (0, 5, 15, 25, y 35 mL/min) y se escogió una
velocidad para determinar el abatimiento de iónes en un tiempo de tratamiento de 80 minutos. Durante el
mismo se realizaron lecturas de conductividad cada 2 minutos, con las dos MA (ACM y ACS).
4. RESULTADOS
4.1 Diseño del electrodializador
El armado del electrodializador no presentó mayor complejidad. La figura 4 muestra una fotografía de la
celda con las partes que la conforman.
Figura 4. Fotografía del electrodializador realizado en el laboratorio, donde se observan los principales
componentes y sus conexiones con el exterior.
4.2 Estrategia experimental
Se midieron las Ilim de las membranas ACM y ACS, a partir de la curva de polarización (Figura 5).
2.5
2
I/ mA
1.5
1
0.5
0
0
5
10
E/ volts
15
20
Figura 5. Curvas de polarización de la membranas ACM y ACS con un diámetro de contacto de 1cm en
régimen estático a diferentes concentraciones de KNO3 en ppm, ACM 500 ppm (×), ACM 1000 ppm (),
ACM 2000 ppm (+), ACS 500 ppm (O), ACS 1000 ppm (--), ACS 2000 ppm ().
A partir de ésta curva podemos observar que la Ilim aumenta con la concentración para ambas
membranas como lo muestra la ecuación 1.
La siguiente gráfica (Figura 6), muestra la Ilim en función de la concentración, y como se observa la
relación entre la Ilim y la concentración (500 ppm - 4000 ppm) es lineal para ambas membranas.
Ilim / mA
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
1000
2000
3000
[NO3 ] / ppm
4000
Figura 6. Gráfica de Ilim vs. concentración de nitratos de las membranas a utilizar durante el proceso de
ED, ACS (), ACM (∆).
De igual manera se observa que para todas las concentraciones, la membrana ACS presenta valores
mayores por lo que parece ser mejor que la ACM.
4.5 Electrodiálisis
Se obtuvieron las Ilim utilizando ambas membranas ACM y ACS a una concentración de 2000 ppm
variando los flujos de alimentación, los resultados se presentan a continuación (Figura 7).
250
Ilim / mA
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
FLUJO/ mLmin-1
30
35
Figura 7. Gráfica de la obtención de la corriente límite a diferentes flujos y con las dos membranas
aniónicas (ACM y ACS) con una solución de KNO3 de 2000 ppm, ACS (), ACM (∆).
La primera característica de esta curva es que la Ilim para la membrana ACS siempre es mayor.
Adicionalmente se puede observar que para ambas membranas la Ilim no cambia entre 0 y 15 mL/s,
cuando el flujo aumento, la Ilim aumenta para la membrana ACS pero disminuye para la membrana
ACM.
A partir de éstas curvas se escogió un flujo constante para realizar el proceso de ED midiendo la
conductividad como parámetro de referencia y a través de ésta observar el abatimiento de los iónes
(Figura 8).
La membrana que reporta una mejor remoción del ión nitrato es la ACS, obteniendo un máximo de
remoción a un flujo de 25 mL/min, mientras que la mayor remoción de nitrato por la membrana ACM se
lleva a cabo con un flujo de 15mL/min, el abatimiento del ión de interés siempre es mayor en la ACS que
en la ACM independientemente del flujo utilizado
CONDUCTIVIDAD/ Sm
-1
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
20
40
TIEMPO/min
60
80
Figura 8. Curva de conductividad vs. Tiempo con las membranas ACM y ACS, donde se observa el
abatimiento de los iónes partiendo de una solución de 2000 ppm de nitratos, ACM 5 mL/min (), ACM
15 mL/min (O), ACM 25 mL/min (∆), ACM 35 mL/min (), ACS: 5 mL/min (), ACS 15 mL/min (),
ACS 25 mL/min (), ACS 35 mL/min (---).
5. CONCLUSIONES
Al variar la concentración de nitratos, la membrana ACS presentó una Ilim superior
(0.425 mA - 3.84 mA) respecto a la membrana ACM (0.285 mA - 3.1 mA) en todo el rango de valores de
estudio.
A diferentes flujos (0 mL/min - 35 mL/min), la membrana ACS presenta una mayor Ilim
(208 mA-162.2 mA), en comparación a la ACM (148 mA - 58 mA).
Finalmente, la membrana ACS presenta una mayor remoción del ión nitrato (99.6 %) en comparación con
la membrana ACM (32.1 %) a 25 mL/min en un tiempo de 80 minutos. El mismo comportamiento se
presentó a diferentes flujos (5 mL/min -35 mL/min).
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