Tecnologías electroquímicas como alternativas en el

[Ide@s CONCYTEG 5(60): Junio, 2010]
Quintana et al
Tecnologías electroquímicas como alternativas en el tratamiento de aguas contaminadas:
adsorción por carbón activado
Tecnologías electroquímicas como
alternativas en el tratamiento de
aguas contaminadas: adsorción por
carbón activado
David Quintana Loya 1
Pablo Gortáres Moroyoqui 2
Patrick Drogui 3
Maria Isabel Estrada Alvarado 4
Martín Villa Ibarra 5
Resumen
En este artículo se presenta una revisión general de las
principales tecnologías electroquímicas y membranales
como alternativas para remoción de contaminantes en
agua, como pesticidas, metales pesados, materia orgánica
y microorganismos, entre otros. El caso del uso de carbón
activado (CA) se describe con más detalle. Se presentan
algunos avances de los estudios que se llevan a cabo en el
Instituto de Nacional de Investigación Científica – Agua,
Tierra y Ambiente (INRS-ETE, por sus siglas en Francés)
de Québec, Canadá con quien se lleva a cabo un proyecto
de colaboración en el seno del Grupo de Trabajo Quebec México. Las instituciones participantes además del
INRS-ETE son el Instituto Tecnológico de Sonora
(ITSON) y el Instituto Superior de Cajeme (ITESCA).
Palabras clave: tecnologías electroquímicas, carbón
activado Estudiante de Maestría en Recursos Naturales, Departamento
de Biotecnología y Ciencias Alimentarias, Instituto Tecnológico
de Sonora. [email protected]
2 Profesor-Investigador, Departamento de Biotecnología y
Ciencias Alimentarias, Instituto Tecnológico de Sonora.
[email protected]
3 Investigador del Instituto Nacional de Investigación CientíficaAgua,
Tierra
y
Ambiente,
Quebec,
Canadá.
[email protected]
4 Profesor-Investigador, Departamento de Biotecnología y
Ciencias Alimentarias, Instituto Tecnológico de Sonora.
[email protected]
1
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Quintana et al
Tecnologías electroquímicas como alternativas en el tratamiento de aguas contaminadas:
adsorción por carbón activado
Abstract
Las aguas residuales industriales y municipales
A general review about main electrochemical and
membranes technologies is presented in this work as
alternatives to remove pollutants from waters, such as
pesticides, heavy metals, organic matter, and
microorganisms. Activated carbon is described as an
example in most detail. Also, some advances about
studies have been carried out at the National Institute for
Scientific Research – Water, Earth, and Environment
(INRS – ETE French capital letters) from Quebec,
Canada. A project among INRS – ETE and two Mexican
Higher Education Institutions is been developing as part
of the Quebec-Mexico Work Group activities, they are
ITSON and ITESCA.
contienen contaminantes químicos, tanto orgánicos
como inorgánicos, además de biológicos, las cuales
reciben un tratamiento previo a su descarga al
ambiente.
Sin
embargo,
la
intensa
actividad
industrial llevada a cabo desde inicios del siglo XX,
ha causado una severa contaminación ambiental con
impactos adversos en la atmósfera, agua y suelo. Por
lo que el tratamiento de agua para consumo humano,
aguas residuales y el suelo representan problemas
Key words: electrochemical technologies, activated
carbon
prioritarios, tanto económicos como sociales y
políticos. En este sentido, cada país ha establecido
leyes y normas de regulación ambiental y estándares
Introducción
de calidad en la salud pública que son cada vez más
Con el aumento en la presión hacia el eficiente
exigentes (Drogui et al, 2007).
Estos procesos de alteración y contaminación se han
manejo del poco recurso hídrico disponible, se busca
visto acelerados en muchas ocasiones por el mismo
el
tecnologías
desarrollo industrial, a través de la incorporación de
innovadoras en el campo del tratamiento de aguas
altas cantidades de contaminantes como plaguicidas,
residuales que permitan optimizar su manejo,
compuestos
teniendo un mayor énfasis en aquellas que son
consiguiéndose así afectar los volúmenes de agua
afectadas
su
dulce disponible que existe en el planeta, cuya
restauración y/o reutilización, de no ser así,
cantidad representa solo un 3.0%, del volumen total
ocasionan un efecto nocivo en el ecosistema y
(CONAGUA, 2009).
desarrollo
por
y/o
aplicación
compuestos
que
de
dificultan
metálicos,
hidrocarburos,
finalmente en la salud de la población (Sarria, 2005).
De acuerdo a Drogui et al (2007), diferentes
Profesor-Investigador del Instituto Tecnológico Superior de
Cajeme y Director de Ecología del Municipio de Cajeme
5
estrategias requieren ser adoptadas por la industria
para remover contaminantes refractarios, tales como
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Tecnologías electroquímicas como alternativas en el tratamiento de aguas contaminadas:
adsorción por carbón activado
plaguicidas, compuestos halogenados, compuestos
fenólicos,
colorantes
policlorinados (BPC`s),
policíclicos
(HAP),
sintéticos,
bifenilos
Para la remoción de contaminantes tóxicos o
hidrocarburos aromáticos
impurezas orgánicas resistentes a los tratamientos
entre
otros.
Igualmente
primarios y secundarios se emplea la adsorción
menciona que muchos de estos compuestos son
(Droste, 1997), la cual suele ser más económica y
estables y difíciles de oxidar mediante sistemas
sencilla. La adsorción es un proceso en el que los
biológicos, por lo que se requiere de tratamientos
átomos en la superficie de un sólido, atraen y
físicos o físico-químicos. Éstos pueden ser a través
retienen moléculas de otros compuestos. Estas
de tecnologías electroquímicas, las cuales combinan
fuerzas de atracción son conocidas como “fuerzas de
tanto los conocimientos de física, química, como de
Van dar Waals”. Por lo tanto, mientras mayor área
la electrónica. Las principales tecnologías son: a)
superficial
electro deposición, b) electro coagulación, c) electro
adsorbente (Ubaldo, 2006).
disponible
se
tenga,
será
mejor
flotación, d) electro cinética y c) electro oxidación.
Las
tecnologías
electroquímicas
presentan
las
Adsorción por carbón activado
siguientes características: a) el equipo requerido es
Desde la época antigua, los egipcios descubrieron
simple, b) son fáciles de operar, c) presentan corto
que el carbón de madera podría utilizarse para
tiempo de retención, d) tienen baja necesidad de
purificar otros productos. El carbón activado es un
equipo para la adición de químicos, e) fácilmente se
término genérico para un material de estructura
automatizan y f) son susceptibles de acoplarse con
carbonosa ampliamente conocido y muy utilizado en
otros sistemas de tratamiento (Drogui et al, 2007).
industria, medicina, tratamiento de agua potable y
residual (Ubaldo, 2006).
Su característica más
Sarria (2005) menciona que se han propuesto
importante es su área superficial o de contacto muy
procesos
elevado, lo que le permite adsorber una gran
de
electroquímicos,
oxidación
fotoquímicos,
coagulación/floculación
y
adsorción, como alternativa para el tratamiento del
cantidad de compuestos, tanto en fase gaseosa como
en disolución (Luna, 2007).
agua contaminada con sustancias antropogénicas
difícilmente biodegradables, así como para la
La cantidad de materia que puede retener el carbón
eliminación de microorganismos patógenos en aguas
activado es función de las características y de la
destinadas al consumo humano.
concentración de la materia retenida y de la
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Tecnologías electroquímicas como alternativas en el tratamiento de aguas contaminadas:
adsorción por carbón activado
temperatura. En general, la cantidad de materia
cáscara de coco). El carbón activado obtenido de la
adsorbida se determina como función de la
madera posee una ventaja de mesoporos (2 a 50 nm),
concentración a temperatura constante, y la función
por lo que resulta más eficaz para remover moléculas
resultante se conoce con el nombre de isoterma de
contaminantes de mayor tamaño.
adsorción (figura 1).
Figura 1. Isoterma de adsorción de cromo (VI)
Propiedades
La estructura del carbón activado está constituida por
un conjunto irregular de capas de carbono, con
espacios que constituyen la porosidad. Posee una
estructura micro cristalina como la del grafito. Esta
estructura que presenta el carbón activado da lugar a
una distribución de tamaño de poro bien determinada
(tabla 1).
Tabla 1. Tamaños de poros
Tamaño de poro
Microporo
Mesoporo
Macroporo
Fuente: Leyva, 2008.
Diámetro (nm)
<2
>2 < 50
> 50
Fuente: Luna, 2007.
La eficiencia de adsorción de micro contaminante es
La superficie específica y las dimensiones de los
igualmente influenciada por el grado de porosidad
poros dependen del precursor y de las condiciones de
del carbón activado (microporos con diámetros
los procesos de carbonización y activación utilizados
menores a 2 nm), y por el tamaño de las moléculas a
(Ubaldo, 2006).
remover. Las moléculas mayores al diámetro de los
microporos no pueden entrar a éstos, lo que limita su
Son dos las características fundamentales en las que
adsorción (Letterman, 1999; Svrcek y Smith, 2004).
se basan las aplicaciones del carbón activado:
Poros de mayor tamaño pueden ser obtenidos
elevada capacidad de eliminación de sustancias
dependiendo del tipo de materia prima utilizada en la
(debido a su elevada área superficial) y baja
fabricación del carbón activado (carbón, madera,
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adsorción por carbón activado
selectividad de retención (se considera un adsorbente
Los procesos de fabricación se dividen en dos, según
universal). No obstante, por su naturaleza no polar,
el tipo de activación: la activación física (llamada
retendrá preferentemente moléculas no polares y de
también térmica) y la activación química. No
alto volumen molecular (hidrocarburos, fenoles,
obstante ambas rutas inician con un pre tratamiento;
colorantes, entre otros), mientras que sustancias
que generalmente consiste en un proceso de
como nitrógeno, oxígeno y agua prácticamente no
molienda y tamizado, obteniendo así un tamaño y
son retenidas (Stephenson y Blackburn, 1998).
homogeneidad adecuada y/o necesaria para la
manipulación del precursor (figuras 2 y 3).
Fabricación de carbón activado
Se produce a partir de carbón amorfo, preparado a
partir de materiales precursores con un alto
contenido en carbono, especialmente, materiales
orgánicos como madera, huesos, cáscaras de frutos:
así como también, carbón mineral, breas, turba y
coque (tabla 2). El carbón se somete a un
pre
tratamiento de activación con el fin de incrementar
su área superficial hasta 300 veces por la formación
de poros internos (Rivera y Col, 2003).
Tabla 2. Principales materias primas empleadas en la
fabricación de CA
Materia Prima
Activación
Madera Pino
Química
Madera Pino
Térmica
Carbón mineral
Térmica
Coco
Térmica
Fuente: Luna, 2007; Ubaldo, 2006.
Figura 2. Diagrama de proceso de activación física
Fuente: adaptado de Ubaldo (2006).
Activación física. La porosidad de los carbones
preparados mediante activación física es el resultado
de la gasificación del material carbonizado a
temperaturas elevadas. En la carbonización se
eliminan elementos como el hidrógeno y el oxígeno
del precursor para dar lugar a un esqueleto
carbonoso con una estructura porosa rudimentaria.
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adsorción por carbón activado
Durante la gasificación el carbonizado se expone a
Figura 3. Diagrama de proceso de activación química
una atmósfera oxidante (vapor de agua, dióxido de
carbono o mezcla ambos) que elimina los productos
volátiles y átomos de carbono, aumentando el
volumen de poros y el área específica (Leyva, 2008).
El carbón que se obtiene es llamado carbón primario
(similar al usado para asar carnes).
Activación química. La porosidad de los carbones
que se obtienen por activación química es generada
por reacciones de deshidratación química, la cuales
tienen lugar a temperaturas mucho más bajas. En
este proceso el material a base de carbón se
impregna con un agente químico, principalmente
Fuente: adaptado de Ubaldo (2006).
acido fosfórico (o cloruro de zinc) y el material
impregnado se calienta en un horno a 500–700 oC.
Los
agentes
químicos
utilizados
reducen
la
formación de materia volátil y alquitranes (figura 3).
El carbón resultante se lava para eliminar los restos
del agente químico usado. Este carbón es llamado
carbón secundario (Tsang, 2007).
Uso del carbón activado en
tratamiento de aguas
En la potabilización del agua se puede lograr que las
cantidades de los compuestos adsorbibles llegue a
niveles indetectables por los métodos de análisis
comunes, es decir, prácticamente son eliminados por
Tanto la amplia gama de precursores, como el tipo
de fabricación empleado, afectan directamente las
propiedades adsorbentes del producto, al influir
sobre el número de poros y área superficial.
el carbón activado. Esto debido a que presenta dos
propiedades que lo han hecho muy útil en estos
procesos. La primera consiste en que atrapa casi todo
tipo de contaminantes orgánicos. La segunda, es que
destruye el cloro libre residual que no ha
reaccionado después de que dicho compuesto haya
realizado una acción desinfectante (WEF, 1992). Este
proceso se emplea como un tratamiento avanzado de
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adsorción por carbón activado
agua residual, empleado para eliminar compuestos
3 se muestran datos de adsorción y de remoción de
orgánicos e inorgánicos como nitrógeno, sulfuro y
algunos compuestos
metales pesados, entre otros.
Tabla 3. Adsorción de diversos compuestos en carbón
activado
Comúnmente se utiliza como tratamiento terciario en
Adsorción en Carbón Activado
Reducción
Adsorción
Compuesto
(g/g de CA)
(%)
las plantas municipales de tratamiento de aguas
residuales en forma de filtros de medio granular, de
lecho mixto (usualmente con arena) con el objeto de
Metanol
0.007
3.6
eliminar la materia orgánica soluble asociada a los
Etanol
0.02
10
sólidos suspendidos presentes en el efluente (Metcalf
Propanol
0.038
18.9
y Eddy, 2003). Sin embargo, la presencia de
Butanol
0.107
53.4
elevadas concentraciones de sólidos suspendidos
2-Etil-Hexanol
0.138
98.5
causa
Benceno
0.08
95
Tolueno
0.05
79.2
Fenol
0.161
80.6
Etil benceno
0.019
84.3
activado aplicando de 3-5 libras de vapor por libra de
Nitrobenceno
Dicloro Etileno
0.196
0.163
95.6
81.1
carbón. Otros tratamientos de regeneración son:
Dicloro Propileno
0.183
92.9
pérdidas
de
presión,
canalización
y
obstrucción del flujo, y eventualmente pérdida de
capacidad de adsorción, necesitándose en esta etapa
aplicar un proceso de regeneración del carbón
calor, lavado acido, lavado con solvente). La
Fuente: Stephenson, 1998.
variabilidad en las condiciones de pH, temperatura y
caudal también pueden afectar al rendimiento del
carbón activado (Stephenson, 1998).
Perspectiva de utilización
Debido
Adsorción de varias clases de
compuestos
adsorción de compuestos al carbón activado varía de
acuerdo a sus propiedades fisicoquímicas, en la tabla
a
la
versatilidad
como
a
la
disponibilidad de precursores económicos para la
elaboración de este producto, es que actualmente se
le
De acuerdo a Stephenson y Blackburn (1998) la
tanto
está
dando
un
gran
producción/comercialización
impulso
y
a
su
utilización
principalmente en el campo hídrico. Pero sus
aplicaciones industriales y mineras, como medio de
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adsorción por carbón activado
recuperación de materiales de alto valor agregado
convencional. Este método utiliza el paso de una
favorecerán el incremento en su consumo, que
corriente eléctrica para facilitar la reacción entre los
actualmente es cubierto en gran medida por material
contaminantes
importado.
seleccionado, lo que permite aprovechar a la vez, la
cargados
y
el
medio
poroso
creación de una superficie activa mucho más
importante
Otras tecnologías
electroquímicas
que
un
tratamiento
electroquímico
estándar. Esta mayor superficie activa se debe a la
presencia de una gran cantidad de poros de pequeño
tamaño en la superficie de los electrodos (cátodos o
A la par de esta tecnología y ante las distintas
ánodos, según la carga del contaminante a evaluar y
necesidades que se enfrenta en este tema, también se
la carga impuesta). Este tipo de tratamiento puede
ha venido trabajando e implementando otros
hacerse
procedimientos muy efectivos, los cuales no
generalmente compuesta de partículas de de carbono
podríamos dejar de lado, como lo son los ya
o de grafito o utilizando las placas porosas (figuras 4
conocidos procesos de oxidación avanzados (POA),
y 5) que sirven de electrodos móviles o fijos según el
entre los que destacan el uso de ozono, la radiación
caso.
UV
y
la
fotocatálisis.
Estos
procesos
asimismo
se
estudia
una
cama
fluidizada,
son
ampliamente utilizados en la industria de bebidas
embotelladas;
utilizando
Figura 4. Reactor de cama fluidizada para el tratamiento de
las aguas residuales
su
implementación en efluentes residuales como posible
sustituto del gas cloro, en la fase final de los
tratamientos municipales de aguas residuales.
Tratamiento combinado
electrólisis y utilización de
carbono activo en un mismo
reactor: electro adsorción
Fuente: Kaminari et al, 2005.
La electro adsorción es una técnica electroquímica
que utiliza la adsorción sobre carbón activo
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adsorción por carbón activado
Las placas, formadas de fibras de carbono tejidas
En el caso de la utilización de una cama fluidizada,
entre ellas, poseen una estructura porosa del mismo
las
tipo que los gránulos de carbono utilizado en los
negativamente (electrodo catódico), lo que permite a
procesos estándares de absorción, pero su superficie
los metales y a
específica es de 2,500 m2/g, que es aproximado 2.5
adsorberse a sus superficies. La cama de partículas
veces a la obtenida en la utilización de carbón
se vuelve catódica por la inserción de un electrodo
activado en forma de gránulos (Niu y Conway,
(barra o soporte plano), quien juega un rol de
2003). El hecho de tener una enorme superficie de
alimentador de corriente eléctrica al seno de la cama.
partículas
son
habitualmente
cargadas
los compuestos orgánicos
electrodos activos, implica que la densidad de
corriente en ésta es muy poco elevada. Si a esta
El ánodo, por su parte, es igualmente una barra (o un
ventaja se añade a la importancia de agitación creada
electrodo plano), el cual se empapa solamente en el
por la fluidización de las partículas se logra reducir
electrolítico. Poco importa el montaje utilizado, es la
la capa de difusión (“aplastamiento“ del perfil de
aplicación de un ligero voltaje sobre las partículas de
concentraciones cerca del electrodo), implicando así
carbono en movimiento lo que permite obtener la
un aumento de la eficiencia de la corriente eléctrica
electrosorción. Este fenómeno se basa en
(Kaminari, et al., 2005).
interacciones electrostáticas y los enlaces de Van der
las
Waals, entre los contaminantes y el carbono
Figura 5. Reactor de lecho fluidizado para tratar aguas
residuales
(Koparal et al, 2002). A veces, la fluidización de la
cama no permite mantener un contacto eléctrico
estable entre la barra y las partículas de carbón
activado, lo que crea una caída de corriente
importante. Así pues, para atenuar a este problema,
varias barras pueden ser agregadas al sistema (en el
seno de la cama) para permitir un contacto más
constante. También es posible utilizar un sistema de
partículas similares a la cama fluidizada, pero
conservando estas partículas en una cama fija (Chen,
2004).
Fuente: Chen, 2004.
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Tecnologías electroquímicas como alternativas en el tratamiento de aguas contaminadas:
adsorción por carbón activado
La inversión de polaridad del cátodo es un método
aguas residuales
simple que requiere pocas manipulaciones, pero
espera se permitan cantidades menores (comparada
logra que el carbón activado sea liberado de los
con la normatividad vigente) de contaminantes a
contaminantes, lo cual permite que éste sea
descargar en dichos cuerpos acuáticos; estas
reutilizado. El principio es el mismo, sea para un
tecnologías se presentan como una excelente opción,
lecho fluidizado, un lecho fijo, o cuando se emplean
para la adaptación de aquellas plantas tratadoras
electrodos porosos. En la figura 4 se muestra un
municipales que se vean en la necesidad de adecuar
diagrama en el que se introduce agua por el fondo
sus
con cierta presión, además la fuerza de la corriente
regulaciones ambientales.
procesos
en bienes nacionales; donde se
para
cumplir
con
las
nuevas
eléctrica permite que los gránulos se mantengan en
suspensión, que al menos hagan contacto directo con
Por otra parte, considerando que el desarrollo
el carbón cargado.
tecnológico e industrial seguirá su curso actual en los
años próximos, resulta importante que se evalúe y
tomen las acciones apropiadas y anticipadas para
Conclusión
minimizar las acciones que disminuyan calidad de
los cuerpos hídricos.
Debido a la creciente y constante preocupación que
genera la incertidumbre sobre la capacidad de
acceder a suministros hídricos de calidad, es que se
Semblanza de los autores
necesita y exige un riguroso control de la
contaminación y una legislación cada vez más
David Quintana Loya
exigente. Como respuesta a ello, y dada la
Ingeniero
Biotecnólogo
egresado
del
Instituto
Tecnológico de Sonora (2009). Estudiante de Maestría en
Ciencias en Recursos Naturales con acentuación en
Ambiente y Salud. Actualmente se encuentra elaborando
su trabajo de obtención de grado titulado “Remoción de
materia orgánica y microcontaminantes a través de
tecnologías electrolíticas”.
E-mail: [email protected]
incapacidad de los métodos convencionales para
remover efectivamente muchos de los contaminantes
llamados recalcitrantes, en los últimos años se ha
presentado una intensa búsqueda de nuevas y
eficientes tecnologías de tratamiento de aguas. Estas
tecnologías se verían impulsadas si en un futuro
próximo se aprueba una nueva norma oficial
Pablo Gortáres Moroyoqui
mexicana (NOM) sobre disposición y vertido de
Es Ingeniero Bioquímico con especialidad en Tecnología
de Alimentos por parte del Instituto Tecnológico de
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Tecnologías electroquímicas como alternativas en el tratamiento de aguas contaminadas:
adsorción por carbón activado
Culiacán. Maestría en Ciencias en Bioingeniería
(Especialidad en Fermentaciones) por parte de del
Departamento de Biotecnología y Bioingeniería del
Centro de Investigación y Estudios Avanzados del
Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV-IPN).
Doctorado en Ciencias Ambientales por parte del
Departamento de Suelo Agua y Ciencias Ambientales de
la Universidad de Arizona. Cuenta con una experiencia de
más de 20 años en el área de las ciencias ambientales,
particularmente en lo que se refiere calidad de aguas
residuales, tratamiento y reuso de aguas residuales,
microbiología ambiental y transporte de contaminantes en
el ambiente. E-mail: [email protected] Patrick Drogui
Licenciatura de Física y Química de la Universidad de
Abidjan, Costa de Marfil. Maestría en ciencias Físicas en
la Universidad de Abidjan, costa de Marfil. Doctorado en
Proceso y Tratamiento de Aguas, Universidad de Ciencia
y Tecnología de Montpellier II, Francia. Fue un
investigador de la Corporación Industrial BIOLIX y
consultor de Diamond Water Company, Quebec.
Actualmente es profesor-investigador en el Instituto
National de la Recherche Scientifique Centre Eau Terre &
Environment (INRS-ETE) Quebec, Canadá. E-mail:
[email protected] Isabel Estrada
Es Ingeniero Bioquímico Industrial y Maestra en
Biotecnología
por
la
Universidad
Autónoma
Metropolitana Unidad Iztapalapa. Realizó sus estudios de
Doctorado en Microbiología Molecular y Biotecnología
en la Escuela Doctoral de Ciencias de la vida y de la Salud
“Ecole Doctorale des Sciences de la Vie et de la Santé” de
la Université de Provence (Francia, 1999-2003).
Actualmente es profesor-investigador del Departamento
de Biotecnología y Ciencias Alimentarias de la Dirección
de Recursos Naturales del Instituto Tecnológico de
Sonora. E-mail: [email protected] Tecnológico de Sonora, Dr. en Ciencias Biológicas, de la
Facultad de Ciencias Biológicas de la Universidad
Autónoma de Nuevo León. Calificación SUMMA CUM
LAUDE en defensa de tesis doctoral. Área de especialidad
Contaminación
y
Gestión
Ambiental
Profesor
investigador titular B del Instituto Tecnológico Superior
de Cajeme Director de Gestión Ambiental de H.
Ayuntamiento de Cajeme. Coordinador del Núcleo Sonora
del Consejo Consultivo para el Desarrollo Sustentable
Asesor de tesis de licenciatura y Posgrado Autor de
artículos en revistas técnicas y de divulgación. Autor de 3
capítulos de libros. Autor del libro Apuntes
sobre plaguicidas (ISBN 970-9895-10-9) 2006. Editor de
Libro Desarrollo Sustentable: fundamentos y perspectivas
(ISBN 978-970-9885-38-4) 2008.
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