instrucciones para los autores - Universidad Autónoma del Estado

TRATAMIENTO DE ELECTROFENTON APLICADO A LAS AGUAS
RESIDUALES DE UNA INDUSTRIA ALIMENTICIA
Ma. del Sagrario ALONSO ZEPEDA, Liliana Judith GARCÍA LÓPEZ, Thelma
PAVÓN SILVA, Patricia BALDERAS HERNÁNDEZ, Carlos BARRERA DÍAZ y
Gabriela ROA MORALES*.
Universidad Autónoma del Estado de México. Facultad de Química. Paseo Colón
intersección Paseo Tollocan S/N. Código Postal. 50120, Toluca, Estado de
México, México. Tel.: + (52)-(722)-2173890; fax: + (52)-(722)-2175109. Correo
electrónico: [email protected]
Palabras clave: Electrofenton, aguas residuales.
RESUMEN
La contaminación en del ambiente es un problema que se ha agravado en los
últimos años. La calidad de cuerpos de agua ha disminuido a tal grado que éstos
representan un riesgo a la salud de flora y fauna, se han empleado métodos de
tratamientos para las aguas residuales tales como la precipitación, filtración de
membranas, osmosis inversa, intercambio iónico y adsorción para la remoción de
contaminantes. Sin embargo, un problema común con los tratamientos
convencionales es la dificultad encontrada en el tratamiento de desechos sólidos
generados, los cuales deben ser tratados y depositados regularmente a altos
costos. El método de electroperoxicoagulación involucra un reactor electrolítico
con electrodos de hierro disueltos por electrolisis suministrando cantidades
estequiométricas de Fe2+ al efluente, el Fe2+ reacciona con H2O2 formando
especies coagulantes e hidróxidos de metal que precipitan y adsorben los
contaminantes disueltos. En éste trabajo de investigación ofrece una técnica
confiable que mejora la calidad del agua aplicando un tratamiento electroquímico.
INTRODUCCIÓN
El sector alimenticio produce una gran cantidad de aguas residuales con altas
concentraciones de compuestos orgánicos tales como azúcares, carbohidratos y
productos fermentados, que no son eliminados totalmente por tratamientos
fisicoquímicos previos como la coagulación/floculación y sedimentación, o por
procesos biológicos.
Las plantas de tratamientos de aguas residuales de la industria alimenticia han
empleado un sistema biológico para remover los contaminantes orgánicos. El
sistema consiste de una criba, un tanque homogenizador, un reactor anaerobio, un
tanque de aireación aerobio, clarificadores secundarios y finalmente un sistema de
desinfección. El sistema de tratamiento biológico
no puede responder
rápidamente a las variaciones en cantidad y composición fisicoquímica del
influente.
1
El uso de técnicas electroquímicas para el tratamiento de contaminantes orgánicos
contenidos en las aguas residuales ha recibido una gran atención en los años
recientes. Se cree que los métodos electroquímicos son más amistosos
ambientalmente que otros métodos químicos usados en el tratamiento de agua
residual, también se ha probado que las técnicas electroquímico representan una
manera eficiente de remover los contaminantes orgánicos.
La oxidación de los contaminantes orgánicos presentes en las agua residuales
puede llevarse a cabo en una celda electroquímica, usando como electrodos
placas de aluminio o hierro los cuales consumen energía, en la celda se encuentra
una disolución de electrolito. Los contaminantes orgánicos pueden ser oxidados
directa o indirectamente por Ozono (O3), Peroxido de Hidrogeno (H2O2) u Oxígeno
(O2).
Las superficies activas del electrodo experimentan cambios significativos e
influencian el funcionamiento de proceso. Por esta razón las características
particulares del electrodo tienen que ser consideradas durante la formulación del
modelo.
En el tratamiento electroquímico de aguas residuales al removerse agentes
contaminadores se presentan reacciones de oxidación irreversibles, por lo tanto,
los procesos reductores son menos importantes, el proceso de reducción se
muestra en la figura 1.5. (a) Puede asumirse que en la zona catódica sólo ocurre
la evolución del hidrogeno, (b) la especie oxidable (Sox) puede ser reducida en el
cátodo (c). El proceso de reducción de la especie oxidable (Sox) a la especie
reducida se muestra en la figura 2.
Zona de reacción
química
Sox
Sred
Zona de reacción
catódica
b
b
Cátodo
Sox
c
e-
a
e-
Sred
H2
H2 O
Figura 1. Proceso electroquímico considerado en la zona catódica
2
Cuando un material activo típico es empleado como el ánodo, un número de
especies generadas en la superficie del electrodo deben ser consideradas. Estas
especies pueden influenciar el funcionamiento del proceso, causando reacciones
químicas adicionales que ocurren en la superficie del electrodo si sigue existiendo
par redox (El catión fierro puede existir como ferroso (Fe2+) o como férrico (Fe3+)
funcionando como un par de oxido-reducción o par redox,. Fe2+ 'Fe3+ + e-) en la
superficie o en la solución si la especie electrogenerada esta disuelta.
Un esquema que resume los procesos que necesitan ser considerados en la zona
anódica electroquímica se muestra en la figura 2.
Ánodo
Zona de reacción
química
Zona de reacción
anódica
e-
b
g
SOX
SOX
a
H2O
S
S*
c
e-
f
Oxidante
d
O2
CO2*
h
CO2
(Fig. 2) Proceso electroquímico considerado en la zona anódica
De la figura 2 se describe lo siguiente:
(a) Las especies orgánicas de la solución son transferidas a la zona anódica
electroquímica
(b) disolución de los iones
(c) y la formación del oxidante
(d) Las especies restantes se suman por ser muy inestables y se combinan
rápidamente para formar oxígeno
(e) o las sustancias oxidadas para formar dióxido de carbono
(f) transporte de masa de los iones
(7) formación de dióxido de carbono
La oxidación anódica y electrooxidación indirecta son algunos métodos
electroquímicos en los que existe un gran interés en su desarrollo práctico para la
3
degradación de contaminantes orgánicos presentes en las aguas residuales. La
oxidación anódica adsorbe radicales hidroxilo (OH•) producidos por la oxidación
del agua en el ánodo.
H2 O → OH• + H + + e −
(1)
Este radical es el agente oxidante de la materia orgánica causando su conversión
a dioxido de carbono (CO2), agua e iones inorgánicos.
Se han introducido y se han desarrollado dos nuevos avances en los procesos de
la oxidación electroquímica para la degradación de contaminantes orgánicos en
presentes en agua residuales, el llamado Electro-Fenton.
El proceso Electro-Fenton es realizado con un ánodo convencional y el poder de
oxidación del H2O2 electrogenerado es realzado por la adición de Fe2+ a la
solución, porque el radical OH• está formado por la clásica reacción de Fenton
entre Fe2+ y el H2O2.
Fe 2+ + H2 O 2 + H + → Fe 3+ + OH • + H2 O
(2)
En contraste, el proceso peroxicoagulación está basado en el uso de un ánodo de
Fe sacrificado el cuál es electrodisuelto suministrando cantidades
estequiométricas de Fe2+ al efluente. El Fe2+ reacciona con el H2O2
electrogenerado y el exceso de Fe3+ formado precipita como Hidroxido de Fierro III
(Fe(OH)3). Los contaminantes son entonces removidos por la acción combinada
de su degradación homogénea con OH• generado por la reacción mostrada en la
ecuación 2 y su coagulante con el Fe(OH)3 precipitado.
Aunque, una gran cantidad de sólidos totales presentes hacen un segundo paso la
coagulación-floculación por la adición de Hidróxido de Sodio NaOH necesario para
que disminuyan las cantidades de estos sólidos, y por lo tanto reducir la Demanda
Química de Oxígeno (DQO), el color y el olor.
Una gran variedad de procesos de oxidación aplicados en el tratamiento de aguas
residuales han sido reportados, con un gran trabajo en la degradación de especies
orgánicas tales como: oxidación de alcoholes, organonitrogenados,
organoclorinados, hidrocarbonos, aromáticos, fenoles, tintes, surfactantes y
pesticidas. Los ejemplos incluyen aguas residuales de textiles, efluentes
farmacéuticos, aguas residuales de la manufactura de la pulpa y el papel, por citar
algunos.
Por lo que en este trabajo se realizó un tratamiento de aguas residuales de una
industria alimenticia mediante un proceso de Electro-Fenton para remover los
contaminantes y evaluando el tratamiento mediante la Demanda Química de
Oxígeno (DQO).
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MATERIALES Y MÉTODO
Se empleo una celda electroquímica de electrodos de hierro la cual tiene una
capacidad de 2 L y un área activa de hierro de 250 cm2, se suministro una
intensidad de corriente eléctrica (i) de 4 A a través de una fuente de poder. El
tiempo de tratamiento fue de 30 minutos y se uso como electrolito Sulfato de sodio
(Na2SO4 Baker) a una concentración 0.01 M. El parámetro que se vario fue la
regulación del pH.
La determinación de DQO se realizó por el método espectrofotométrico de HACH
y realizándolas lecturas en un espetrofotometro HACH Mod 5400.
En el primer tratamiento tuvo una duración de 30 minuto y se emplearon 5 ml de
H2O2, 2.84 g de Na2SO4 y 2 litros (L) de agua residual de una industria alimenticia.
Al comenzar el tratamiento se adiciono a la celda ácido sulfúrico concentrado
(H2SO4 Fermont) para bajar el pH de 6.5 a 2. Al transcurrir los 30 minutos de
tratamiento se interrumpió la reacción dejando de suministrar corriente eléctrica a
la celda y a la muestra se le adiciono una solución de NaOH (Baker) 1 M para
ajustar el pH a un valor de 8.
El segundo tratamiento tuvo una duración de 30 minutos y se emplearon
nuevamente 5 ml de H2O2, 2.84 g de Na2SO4 y 2 L de agua residual de una
industria alimenticia. Al comenzar el tratamiento se adiciono a la celda H2SO4 para
bajar el pH de 6.8 a 2. En el transcurso del tratamiento se le adiciono
consecutivamente H2SO4 para mantener el pH en un intervalo entre 2 y 3. Al
finalizar los 30 minutos de tratamiento se interrumpió la reacción y a la muestra de
agua tratada se le adiciono una solución de NaOH 1 M hasta que el pH de la
muestra alcanzara un valor de 8.
RESULTADOS
En la primera experimentación se emplearon 5 mL de H2O2, Na2SO4 0.01 M como
electrolito y se trato el agua residual de una industria alimenticia durante 30 min.
Al iniciar el proceso electroquímico el pH se bajo a un valor de 2 adicionando
H2SO4, pero durante el tratamiento no se ajustó el pH pues este incrementa con el
tiempo de electrolisis, debido a que en el cátodo se producen OH-; por lo que al
transcurrir la reacción el pH subió a un valor mayor a 5. La DQO inicial de la
muestra de agua residual fue 911 mg L-1, a los 30 mins de tratamiento la DQO fue
de 570 mg L-1. La tabla I muestra los valores en de la DQO a diferentes tiempos
de tratamiento y el porcentaje de remoción de contaminantes.
5
Tabla 1. Porcentaje de Remoción de Contaminantes para la experimentación 1
Tiempo
(minutos)
0
15
30
DQO
-1
(mg L )
911
682
570
% de Remoción
contaminantes
0
25
37
En la segunda experimentación se emplearon 5 ml de H2O2, Na2SO4 0.01 M como
electrolito y se trato otra muestra de agua residual durante 30 min. Al iniciar el
proceso electroquímico el pH se ajustó a 2 adicionando H2SO4. En este caso se
controló el pH durante el tratamiento en un valor de 2 y 3. La DQO inicial de la
muestra de agua residual fue 1710 mg L-1, a los 30 minutos de tratamiento la DQO
fue de 136 g/L.
Tabla 2. Porcentaje de Remoción de Contaminantes para la experimentación 2
Tiempo
DQO
(minutos)
0
15
30
(ppm)
1710
212
136
Remoción de
contaminantes
0%
88%
92%
El mantener un pH bajo logro que el proceso de Electro-Fenton fuera altamente
eficiente, pues se logro remover hasta el 92% de contaminantes. La tabla 2
muestra la remoción de contaminantes en términos de la DQO para la
experimentación 2.
En la figura 3 se observa la tendencia de la remoción de contaminantes presentes
en las aguas residuales de una industria alimenticia en términos de la DQO para el
experimento 1 en el cual no es controlado el pH en el transcurso del proceso de
Electro-Fenton y para el experimento 2, en el cual se controla el pH en valores de
entre 2 y 3.
6
1800
1600
DQO (ppm)
1400
Exp 1
Exp 2
1200
1000
800
600
400
200
0
0
5
10
15
20
25
30
Tiempo (min)
(Fig. 3) Tendencia de la Demanda Química de Oxígeno al tratar las aguas
residuales de una industria alimenticia mediante un proceso de Electro-Fenton; (♦)
inicio del proceso a un valor de pH de 2 sin control del pH en el transcurso del
proceso; (■) inicio del proceso a un valor de pH de 2 con control del pH en el
transcurso del proceso.
DISCUSIÓN
A pesar de haber realizado el mismo tratamiento a ambas muestras de agua
residual y mantener las mismas concentraciones del electrolito NaSO4 y de la
especie oxidante H2O2 se puede observar que la presencia de H2SO4 al inicio y
durante el proceso es fundamental para alcanzar una buena remoción de la
materia orgánica presente en las aguas residuales en términos de la DQO. Por lo
tanto, el tratamiento de Electro-Fenton empleado en la remoción de contaminantes
resulto ser altamente eficiente cuidando que el proceso se mantuviera en valores
de pH bajos, pues a valores de pH mayores a 5 tiene lugar la precipitación de los
iones de Fe2+ que actúan como catalizador en este tratamiento.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen el financiamiento al Proyecto 2228 UAEMex
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REFERENCIAS
Beltrán, J., Domínguez, J. y López, R. (2004). Treatment of Cork Process
Wastewater by a Successive Chemical-Physical Method. J. Agric. Food Chem. 52,
4501-4507.
Brillas, E. y Casada, J. (2002). Aniline degradation by Electro-Fenton and peroxicoagulation processes using a flow reactor for wastewater treatment.
Chemosphere. 47, 241-248.
Cañizares, P., García, J., Lobato, J. y Rodrigo, M. (2004). Modeling of Wastewater
Electro-oxidation Processes Part II. Application to Active Electrodes. Ind. Eng.
Chem. Res. 43, 1923-1931.
Keenan, D. y Sainkov, A. (2000). Biological augmentation eliminates grease and oil
in bakery wastewater. Water Environt. Res, 72,141.
Shen, Z., Yang, J., Hu, X., Lei, Y., Jia, J., Wang, W. (2005). Dual Electrodes
Oxidation of Dye Wastewater with Gas Diffusion Cathode. Environ. Sci. Technol.
2005. 39, 1819-1826.
Wang, Q y Lemley, A. (2001). Kinetic Model and Optimization of 2,4-D Degradation
by Anodic Fenton Tratment. Environ. Sci. Technol. 35, 4509.-4514.
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