ESTUDIO DE LA FACTIBILIDAD DE UN SISTEMA DE ELECTROCOAGULACIN PARA TRATAMIENTO DE AGUAS PROCEDENTES DE LAVANDERAS

INDUSTRIALES CON FINES DE REUSO

ADRIANA ARISTIZBAL CASTRILLN aristizabaladriana@yahoo.com

MARA CATALINA BERMDEZ AGUDELO

marcata85@hotmail.com

Trabajo de grado para optar al ttulo de Ingeniero Qumico

Director JOS ADRIN RIOS ARANGO

Ingeniero Mecnico

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA QUMICA MEDELLN

2007

CONTENIDO

Pg.

INTRODUCCIN 20 1. EL AGUA 22 1.1 GENERALIDADES 22 1.2 USOS DEL AGUA 24 1.3 CALIDAD DEL AGUA 24 2. TRATAMIENTO DE EFLUENTES 28 2.1 CLASIFICACIN DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES 28 2.2 MTODOS ELECTROQUMICOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES 31

3. LA ELECTROCOAGULACIN 33 3.1 POTENCIAL EN UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIN 35 3.2 TIPOS DE REACTORES PARA ELECTROCOAGULACIN 37 3.3 DISEO DE UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIN 38

Pg.

3.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO DE ELECTROCOAGULACIN.

39

3.5 APLICACIONES DE LA ELECTROCOAGULACIN 42 4. LA INDUSTRIA TEXTIL 45 4.1 GENERALIDADES 45 4.2 INDUSTRIA TEXTIL EN COLOMBIA 45 4.3 PROCESOS DE LA INDUSTRIA TEXTIL 48 4.4 CARACTERSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE LA

INDUSTRIA TEXTIL 50

4.4.1 Aguas residuales de los procesos de teido. 53 4.5 TRATAMIENTOS PARA LAS ARI TEXTILES POR

ELECTROCOAGULACIN 53

4.6 REUSO DE EFLUENTES DE LA INDUSTRIA TEXTIL 56 5. DISEO DE EXPERIMENTOS 57 5.1 DESCRIPCIN DEL DISEO DE EXPERIMENTOS 57 5.2 MATERIALES Y MTODOS 58

Pg.

5.3 ANLISIS DEL DISEO DE EXPERIMENTOS 63 5.3.1 Anova de pH. 63 5.3.2 Anova de conductividad. 72 5.3.3 Anova de turbiedad. 82 5.4 OPTIMIZACIN MULTIRESPUESTA 90 5.4.1 Regin experimental. 90 5.4.2 ptimos individuales. 90 5.4.3 Anlisis previo a la optimizacin mltiple. 91 5.4.4 Optimizacin mltiple. 92 5.5 ANLISIS DE RESULTADOS 93 5.5.1 Ensayo de verificacin. 93 5.5.2 Ensayo de ptimos con hierro. 101 6. ANLISIS DE FACTIBILIDAD TCNICO - ECONMICA 104 6.1 OPTIMIZACIN DEL CONSUMO DE AGUA MEDIANTE REUSO 104

Pg.

6.2 ANLISIS PRELIMINAR DE COSTOS GENERALES 109 6.2.1 Anlisis de casos. 111 6.2.2 Ahorro a favor de la compaa. 113 7. CONCLUSIONES 115 8. RECOMENDACIONES 117 BIBLIOGRAFA 118 ANEXOS 126

LISTA DE FIGURAS

Pg.

Figura 1. Clasificacin de sistemas de reactores de electrocoagulacin. 37 Figura 2. Diagrama esquemtico de una celda de electrocoagulacin de

dos electrodos. 39

Figura 3. Acabado textil y carga contaminante. 49 Figura 4. Diagrama esquemtico del montaje experimental. 59 Figura 5. Modelo de reactor de electrocoagulacin utilizado con

electrodos bipolares en serie. 59

Figura 6. Diagrama de reuso de agua. 104 Figura 7. Diagrama de reuso de agua para conductividad. 108

LISTA DE FOTOS

Pg.

Foto 1. Montaje experimental. 60 Foto 2. Comparativo de remocin de color entre el agua sin tratar y

tratada. 96

Foto 3. Comparativo de aguas tratadas. 96 Foto 4. Lodos generados en el proceso de electrocoagulacin de aguas

residuales de la industria textil. 97

Foto 5. Agua tratada en ensayo de verificacin empleando nodos de

hierro. 103

29

LISTA DE GRFICAS

Pg.

Grfica 1. Distribucin de la cantidad total de agua en la superficie terrestre.

23

Grfica 2. Distribucin del agua dulce total en la tierra. 23 Grfica 3. Consumo del agua dulce disponible. 23 Grfica 4. Distribucin del consumo de agua en la industria textil. 50 Grfica 5. Diagrama de Pareto Estandarizado para Ph. 64 Grfica 6. Efecto A para Ph. 66 Grfica 7. Efecto D para Ph. 66 Grfica 8. Efecto E para Ph. 67 Grfica 9. Interaccin AD para Ph. 67 Grfica 10. Interaccin AE para Ph. 68 Grfica 11. Interaccin CE para Ph. 68 Grfica 12. Efecto B para Ph. 69 Grfica 13. Efecto C para Ph. 69 Grfica 14. Diagrama de efectos principales para Ph. 70 Grfica 15. Diagrama de interacciones principales para Ph. 70 Grfica 16. Verificacin de supuestos para Ph. 72 Grfica 17. Diagrama de pareto estandarizado para conductividad. 74 Grfica 18. Efecto A para conductividad. 75 Grfica 19. Efecto D para conductividad. 76

30

Pg.

Grfica 20. Efecto E para conductividad. 76 Grfica 21. Interaccin AC para conductividad. 77 Grfica 22. Efecto C para conductividad. 77 Grfica 23. Interaccin CE para conductividad. 78 Grfica 24. Interaccin AD para conductividad. 79 Grfica 25. Interaccin CD para conductividad. 79 Grfica 26. Efecto B para conductividad. 80 Grfica 27. Diagrama de efectos principales para conductividad 80 Grfica 28. Interacciones principales para la conductividad 81 Grfica 29. Verificacin de supuestos para conductividad. 82 Grfica 30. Diagrama de pareto estandarizado para turbiedad. 84 Grfica 31. Efecto de A para la turbiedad. 86 Grfica 32. Efecto E para la turbiedad. 86 Grfica 33. Efecto D para turbiedad. 86 Grfica 34. Efecto B para turbiedad. 87 Grfica 35. Efecto C para turbiedad. 87 Grfica 36. Interaccin CE para turbiedad. 87 Grfica 37. Interaccin AD para turbiedad. 88 Grfica 38. Interaccin AB para turbiedad. 89 Grfica 39. Verificacin de supuestos para turbiedad. 90

31

LISTA DE TABLAS

Pg.

Tabla 1. Clasificacin de los parmetros indicadores de la calidad del agua.

25

Tabla 2. Componentes qumicos tpicos que pueden encontrarse en el

agua residual y sus efectos. 26

Tabla 3. Operaciones o procesos unitarios segn el nivel de

tratamiento de aguas. 29

Tabla 4. Criterios para seleccionar sistemas de tratamiento de aguas

residuales. 30

Tabla 5. Operaciones y procesos unitarios y sistemas de tratamiento

utilizados para eliminar la mayora de los contaminantes presentes en el agua residual.

31

Tabla 6. Ventajas de proceso de electrocoagulacin. 40 Tabla 7. Soluciones a las dificultades operativas de un sistema de

electrocoagulacin 41

Tabla 8. Efectos de algunos factores controlables en

electrocoagulacin. 43

Tabla 9. Efectos de algunas de las variables respuestas sobre el

proceso de electrocoagulacin. 44

Tabla 10. Distribucin de los tejedores en el pas. 46 Tabla 11. Distribucin de otros textileros en el pas. 46 Tabla 12. Telares instalados en tejedura. 47 Tablas 13. Telares instalados en confeccin tejida y maquinaria de

hiladura. 47

Tabla 14. Distribucin de la capacidad de produccin en millones m2 47

32

Pg.

Tabla 15. Principales Tejedores de tela del pas. 48 Tabla 16. Clasificacin general de los contaminantes de las ARI textiles. 51 Tabla 17. Carga contaminante que aportan los colorantes. 52 Tabla 18. Efectos de factores controlables en la electrocoagulacin en

ARI textiles. 54

Tabla 19. Efectos de algunas de las variables respuestas en

electrocoagulacin. 55

Tabla 20. Informacin de los factores controlables del diseo de

experimentos. 58

Tabla 21. Informacin bsica de las variables respuestas estudiadas. 58 Tabla 22. Caracterizacin del ARI empleada en los experimentos. 58 Tabla 23. Resultados experimentales de la primera rplica. 61 Tabla 24. Resultados experimentales de la segunda rplica. 62 Tabla 25. Anova para pH 64 Tabla 26. Coeficientes estimados de regresin del modelo matemtico

de pH. 65

Tabla 27. Valores ptimos de los factores controlables para maximizar

pH. 71

Tabla 28. Anova para conductividad. 73 Tabla 29. Coeficientes estimados de regresin del modelo matemtico

de conductividad. 74

Tabla 30. Valores ptimos de los factores para conductividad. 81 Tabla 31. Anova para la turbiedad. 84 Tabla 32. Coeficientes estimados de regresin del modelo matemtico

de turbiedad. 85

33

Pg.

Tabla 33. Valores ptimos de los factores controlables para maximizar pH.

89

Tabla 34. Rango de las variables respuesta. 90 Tabla 35. Predicciones de los valores ptimos individuales de las

variables respuesta. 91

Tabla 36. Factores para cada uno de los ptimos individuales. 91 Tabla 37. Peso e impacto de las variables respuesta. 92 Tabla 38. Valores ptimos de los factores controlables. 92 Tabla 39. Prediccin de las variables respuesta. 93 Tabla 40. Caractersticas principales del ARI empleada en el ensayo de

verificacin. 93

Tabla 41. Caracterizacin del efluente modificado. 94 Tabla 42. Caractersticas del agua tratada en el ensayo de verificacin. 95 Tabla 43. Porcentajes de remocin de los diferentes parmetros

obtenidos en el ensayo de verificacin. 98

Tabla 44. Prediccin de porcentajes de remocin ptimos. 100 Tabla 45. Caracterizacin de agua residual de ensayo con placas de

hierro. 101

Tabla 46. Caracterizacin de agua tratada de ensayo de verificacin

empleando hierro. 102

Tabla 47. Porcentaje de remocin de parmetros en el ensayo de

verificacin empleando nodos de hierro. 102

Tabla 48. Balances de conductividad para el caso 2 107 Tabla 49. Datos econmicos usados para el anlisis preliminar de

costos 110

34

Pg.

Tabla 50. Tabla de amortizacin del crdito 112 Tabla 51. Datos de costos para clculos de ahorro 113

35

LISTA DE ANEXOS

Pg.

ANEXO A. Caracterizacin fisicoqumica del efluente industrial sin tratar empleado en el ensayo de verificacin.

126

ANEXO B. Caracterizacin fisicoqumica del efluente industrial tratado

empleado en el ensayo de verificacin. 129

ANEXO C. Caracterizacin fisicoqumica del efluente industrial sin tratar

del ensayo de ptimos en el cual se emplearon placas de hierro.

132

ANEXO D. Caracterizacin fisicoqumica del efluente industrial tratado

del ensayo de ptimos en el cual se emplearon placas de hierro.

135

ANEXO E. Caracterizacin de agua potable de acueducto Empresas

Pblicas de Medelln, 1 de Enero de 2007. 139

ANEXO F. Hoja de clculo de anlisis tcnico- econmico. 142 ANEXO G. Apartes del anteproyecto presentado a la facultad 148

36

RESUMEN

En este proyecto se realiz un estudio de la factibilidad de un sistema de electrocoagulacin para tratamiento de aguas residuales procedentes de lavanderas industriales con fines de reuso, lo anterior mediante la evaluacin y optimizacin de las variables claves en un proceso de electrocoagulacin. Con base en el diseo de experimentos y en el ensayo de verificacin realizados se determin que los valores de los factores ptimos para tratar por electrocoagulacin agua residual de lavandera industrial con fines de reuso y lograr ajustar el pH entre 5 y 9, minimizar la conductividad y la turbiedad son placas de aluminio, 20V, 0.7cm de distancia entre placas, 2 placas y 10 min. de tiempo de retencin. Adems que los factores de mayor incidencia en el proceso de electrocoagulacin son voltaje, tiempo de retencin y nmero de placas., y las interacciones que son significativas estadsticamente son voltaje-tiempo de retencin, voltaje-nmero de placas, material del nodo-nmero de placas, voltaje-material del nodo y voltaje-distancia entre placas. Asimismo se estableci que el agua tratada mediante la electrocoagulacin es apta para reuso ya que se verific que existi un cambio en las caractersticas del agua que mejor su calidad. Segn el estudio de factibilidad se estableci que la implementacin de un reactor electrocoagulador es viable tcnica y econmicamente para el caso analizado en este proyecto.

37

INTRODUCCIN La industria textil utiliza el 15% del agua que consume la industria a nivel mundial, es decir 30 mil millones de m3, convirtindose en uno de los mayores consumidores del agua total disponible y en una de las industrias que aporta mayor carga contaminante vertindola como desecho. [24] La industria colombiana de textiles y confecciones es una de las ms grandes y experimentadas de Amrica Latina con la aplicacin de tecnologa de punta de procesos de produccin [73], que incluyen actividades como la produccin agrcola, la comercializacin de fibras naturales y sintticas, el teido y la estampacin, la confeccin y la comercializacin del producto terminado. [5] La cadena textil-confeccin concentra el 12.1% de la produccin industrial de Colombia, cerca del 6% de las exportaciones totales ubicndola en el tercer producto de exportacin industrial contando con una de las ms altas tasas de apertura exportadora de la industria nacional y el 13.3% de las ventas de productos no tradicionales del pas. [73] Entre tanto, el sector textil que viene abrindose a los mercados nacionales e internacionales es cada vez ms competitivo y se ve obligado a optimizar sus procesos para mantenerse al ritmo que impone el modelo econmico [5], presentando opciones de mejoramiento en calidad ambiental y rentabilidad para la compaa. En la actualidad la industria textil ha empleado los mtodos convencionales de tratamiento de aguas residuales como son los qumicos, fsicos y biolgicos, una combinacin de ellos, los cuales estn limitados por bajos rangos de concentracin y en algunos casos pueden tener altos costos. [8] Por lo general los costos son la variable que ms influencia tiene en la seleccin del tratamiento a realizar, seguido de la importancia de reutilizar los recursos presentando as un beneficio econmico y ambiental no solo para la compaa sino tambin para los clientes. Debido a esto, se han venido estudiando y desarrollando nuevas alternativas para aminorar el impacto ambiental por parte de la industria textil. Entre los nuevos tratamientos se encuentran los mtodos electroqumicos como la electroflotacin, electrodecantacin y la electrocoagulacin. Estos mtodos son viables porque su sistema emplea electrones para realizar el tratamiento mientras que otros usan reactivos qumicos y microorganismos, lo que los hace ms costosos y en ocasiones ms demorados. [41, 66] Entre las ventajas de los mtodos electroqumicos se encuentran los beneficios ambientales, de compatibilidad, versatilidad, eficiencia de energa, seguridad, selectividad, facilidad de automatizacin del proceso y bajos costos. [66]

46

De todas las tcnicas electroqumicas conocidas se tiene mayor inters en emplear la electrocoagulacin como mtodo de tratamiento de aguas residuales [66], mtodo que ha sido aplicado de manera satisfactoria para tratar agua potable [26, 47, 30], aguas residuales de: procesadores de alimentos [17, 33], industria cervecera [56], urbanas [47], de restaurante [41, 32], industria textil [11, 49, 47, 41, 32, 28, 65], tambin para tratar aguas que contengan arsnico [28, 46, 38], iones fluoruro [31, 18, 10], boro [23], surfactantes [36], metales pesados [38, 19], aceites [57, 21], tintes textiles [41, 53, 54, 16, 14, 60, 1, 41, 55, 42], desechos polimricos [22], partculas suspendidas [43], suspensiones acuosas de partculas ultrafinas [37], nitrato [58], residuos fenlicos [25], fsforo [45], flor [18, 10, 50], entre otros. Dado a lo anterior y a que Medelln es una de las ciudades con mayor capacidad de produccin textil [67], adems el gobierno colombiano ha venido apoyando la construccin de salidas que permitan un equilibrio en armona con los recursos naturales y el entorno social [64], madurar nuevas tcnicas de tratamiento como la electrocoagulacin, que se compromete con la proteccin ambiental y el desarrollo sostenible son de suma importancia. Por lo tanto se ha seleccionado ste mtodo para materializar en el presente proyecto de grado. Con miras a ampliar el conocimiento acerca de la electrocoagulacin, mtodo que ofrece a la industria textil una oportunidad econmica y eficiente de tratamiento de las aguas residuales en comparacin con los mtodos convencionales, se plante esta investigacin que tiene como objetivo general determinar la factibilidad de la implementacin del tratamiento de electrocoagulacin para obtener agua de reuso proveniente de lavanderas industriales como estrategia para disminuir costos de produccin y cumplir con los requerimientos ambientales de vertimiento y as mismo para contrarrestar la contaminacin ambiental producida en el proceso industrial y mejorar la calidad de vida. A continuacin se presenta un proyecto de grado mediante el cual se desarrollaron los objetivos especficos planteados en el anteproyecto ...Ver Anexo G... donde se determina la influencia de los principales factores controlables en el proceso de electrocoagulacin de aguas residuales procedentes de lavanderas industriales y la interacciones entre los principales factores, teniendo como punto de partida la fase experimental en la que se realiza un diseo de experimentos de manera que se aprecie la influencia sobre las variables respuesta escogidas, posteriormente se realiza una interpretacin de resultados obtenindose los valores ptimos de trabajo de los factores evaluados y finalmente se realizar una optimizacin de agua mediante el reuso y una evaluacin preliminar de costos.

47

1. EL AGUA 1.1 GENERALIDADES El agua es un componente qumico muy abundante en la biosfera y quiz el ms importante ya que casi toda la vida en la tierra, incluso la humana, utiliza agua como medio fundamental para el funcionamiento del metabolismo. [48] Aproximadamente el 97.4% de la provisin mundial de agua se encuentra en los ocanos y el 2.6% restante es agua dulce que es un recurso renovable limitado, del cual solamente esta disponible el 0.6% (lagos, subterrnea, atmsfera y ros) es decir 2850 mil millones de m3, como se ilustra a en las Grficas 1. y 2. [24] En la Grfica 3., se observa que del agua dulce disponible un 7% se destina a la industria, es decir 200 mil millones m3. [24] El ritmo al cual se puede consumir la provisin de agua dulce est limitado por la rapidez con la que el agua circula por el ciclo hidrolgico. El tiempo para reemplazar el agua vara aproximadamente dos semanas en la atmsfera hasta diez o cien aos en los lagos segn la profundidad. Actualmente en regiones como Australia, el Norte de Mxico, varias naciones del Medio Oriente y el suroeste de los Estados Unidos, donde la poblacin urbana es relativamente densa y llueve poco se presenta escasez de agua y adems en estas regiones se extrae mayor cantidad de agua que la que repone la precipitacin pluvial, esto sumado a la provisin de agua en abundancia para usos municipales, industriales y agrcolas sin restricciones, sin incentivos que alienten la reutilizacin o conservacin, ha incrementado en alto grado la competencia para conseguir fuentes limitadas de agua fcilmente accesible. [48]

48

Grfica 1. Distribucin de la cantidad total de agua en la superficie terrestre.

Ocano 97.4%

Agua dulce 2.6%

Fuente: BOTERO SANIN, Lus Fernando. Industria textil y medio ambiente. Parte I. En : Colombia Textil. Vol. 32, No. 121 (jul.sep. 1996); p. 49. Grfica 2. Distribucin del agua dulce total en la tierra.

Glaciares 77.2%

Capas freticas 22.2%

Disponible0.6%

Fuente: BOTERO SANIN, Luis Fernando. Industria textil y medio ambiente. Parte I. En : Colombia Textil. Vol. 32, No. 121 (jul. sep. 1996); p. 49. Grfica 3. Consumo del agua dulce disponible.

Agricultura88%

Hogar5%

Industria7%

Fuente: BOTERO SANIN, Lus Fernando. Industria textil y medio ambiente. Parte I. En : Colombia Textil. Vol. 32, No. 121 (jul.sep. 1996); p. 49.

49

1.2 USOS DEL AGUA El hombre emplea el agua para mltiples usos, entre ellos: consumo humano, irrigacin, agricultura, consumo industrial, generacin de energa elctrica, consumo de animales y explotaciones pisccolas, navegacin, silvicultura y recreacin. [68] El uso consuntivo del agua es aquel que impide que el agua est disponible para uso ulterior, ya sea debido a evaporacin, contaminacin, o filtracin bajo tierra, a menos que el ciclo hidrolgico la devuelva en forma de lluvia. El uso no consuntivo del agua deja disponible el agua, despus de un tratamiento si es necesario, para un nuevo uso sin pasar por el ciclo hidrolgico. La creciente demanda de agua potable por parte del pblico, la industria y la agricultura y la decreciente disponibilidad de la misma, debe provocar un cambio de conciencia acerca del uso consuntivo del agua que se hace actualmente, especialmente en pases en va de desarrollo, y as lograr un uso no consuntivo del agua, de lo contrario a medida que las demandas de agua crecen, la cantidad limitada de agua dulce disponible que causan elevados costos de este recurso obligar a reciclar y reutilizar las agua residuales. [48] 1.3 CALIDAD DEL AGUA Para describir la calidad de una corriente o una fuente del agua se requieren criterios o parmetros de calidad, los cuales se clasifican en: hidrolgicos, fsicos, qumicos y biolgicos. En la Tabla 1. se resumen los parmetros que se encuentran en cada clasificacin. Se debe tener en cuenta que los parmetros fsicos no son ndices absolutos de contaminacin y sus valores normales pueden variar considerablemente y, por lo tanto, en cada caso se mide la desviacin con respecto a la norma. Estos tambin se denominan como parmetros organolpticos, es decir que se detectan en primera instancia por los rganos de los sentidos. [68]

50

Tabla 1. Clasificacin de los parmetros indicadores de la calidad del agua.

Clasificacin Parmetros

No especficos

Alcalinidad pH Conductividad Dureza Oxgeno disuelto (OD)

Qumicos

Especficos

Nitrgeno (NH4, NO3-) Cloruros Detergentes Fenoles Pesticidas Material orgnico oxidable

Fsicos

Color Temperatura Turbiedad Olor Sabor

Hidrolgicos Caudal Velocidad Mezcla

Patgenos Coliformes fecales Virus Vibro clera Biolgicos

No patgenos

Poblacin mesfila Zooplancton Algas

Fuente: RESTREPO MEJA, Ana Patricia y TOBN MEJA, Olga Luca. Manual de calidad de aguas. Medelln: Facultad de Ingeniera Ambiental EIA, 2002. p. 205. - Contaminantes del agua. En la Tabla 2. se indican algunas de las sustancias presentes en el agua residual cuyo vertimiento puede originar problemas ambientales.

51

Tabla 2. Componentes qumicos tpicos que pueden encontrarse en el agua residual y sus efectos.

Componente Efecto Concentracin crtica (mg/L)

Slidos suspendidos

Pueden provocar deposiciones de slidos o enturbiamiento.

Variable

Materia orgnica biodegradable

Pueden agotar la reserva de oxgeno disponible. Variable

Contaminantes Prioritarios

Txicos para el hombre, carcingenos. Txicos para el entorno acutico.

Vara en funcin del constituyente. Vara en funcin de la presencia en la columna de agua, masa biolgica o sedimento.

Compuestos orgnicos voltiles

Txicos para el hombre, carcingenos, forman oxidantes fotoqumicos (smog)

Vara en funcin del constituyente.

Nutrientes

Amonaco

Aumenta la demanda de cloro. Puede convertirse a nitratos y agotar los recursos de oxgeno. Con el fsforo puede llevar al crecimiento de algas.

Cualquier cantidad

Nitrato

Txico para los peces. Estimula el crecimiento acutico y de las algas. Puede causar metagemoglobinemia en los nios.

Variable segn el pH y la temperatura. 0.3 para lagos con aguas tranquilas.

45

Fosfato

Estimula el crecimiento acutico y de las algas. Interfiere con la coagulacin Interfiere con el ablandamiento cal-sosa.

0.3 para lagos con aguas tranquilas.

0.2 0.4

0.3

52

Componente Efecto Concentracin crtica (mg/L) Otros compuestos orgnicos Agentes tensoactivos

Provocan espumas y pueden interferir con la coagulacin. 1 3

Otros compuestos inorgnicos

Calcio y magnesio Aumenta la dureza y los slidos totales disueltos.

Cloruro

Imparte sabor salado. Interfiere en los usos agrcolas e industriales.

250

75 200

Sulfatos Accin catrtica. 600 1000 Fuente: TCHOBANOGLOUS, George et al. Ingeniera de aguas residuales : tratamiento, vertido y reutilizacin. 3 ed. Mxico : Mc Graw Hill,1996. v.2, p. 755.

53

2. TRATAMIENTO DE EFLUENTES. El tratamiento del agua, previo a su vertido en el medio ambiente, tiene por objeto eliminar los contaminantes de la manera ms econmica posible, los principales problemas aparecen con los vertimientos de efluentes industriales, que deterioran gravemente el medio ambiente debido a la alta concentracin de contaminantes y a la peligrosidad de cada uno de ellos. [62] 2.1 CLASIFICACIN DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES Los contaminantes presentes en aguas residuales pueden eliminarse con procesos qumicos, fsicos y/o biolgicos. Los mtodos individuales de tratamiento de aguas suelen clasificarse en operaciones fsicas unitarias, procesos qumicos unitarios y procesos biolgicos unitarios. Los mtodos de tratamiento en los que predominan la accin de fuerzas fsicas se conocen como operaciones unitarias, entre estas se encuentran el desbaste, mezclado, floculacin, sedimentacin, flotacin, transferencia de gases y filtracin. Los mtodos en los cuales la eliminacin o conversin de los contaminantes se consigue con la adicin de productos qumicos o gracias al desarrollo de ciertas reacciones qumicas, se conocen como procesos qumicos unitarios y fenmenos como la precipitacin, adsorcin y la desinfeccin son ejemplos de procesos convencionales en el tratamiento de aguas. Los procesos de tratamiento en los que la eliminacin de los contaminantes se lleva a cabo gracias a la actividad biolgica se conocen como procesos biolgicos unitarios. [72] Los procesos y operaciones unitarias se combinan y complementan para dar lugar a cuatro niveles de tratamiento de las aguas, estos niveles son: pretratamiento, tratamientos primarios, tratamientos secundarios y tratamientos terciarios. Los pretratamientos son los procesos de eliminacin de los constituyentes de las aguas residuales cuya presencia pueda provocar problemas de mantenimiento y funcionamiento de los diferentes procesos, operaciones y sistemas auxiliares. [72] Consiste en la eliminacin de material grueso, arenoso y flotante (grasas y aceites) y en la modificacin de la distribucin del tamao de las partculas presentes en el agua residual. Sus objetivos son: acondicionar el agua residual para ser tratada en las siguientes etapas de proceso, remover materiales que puedan interferir con los equipos y procesos de tratamiento de aguas abajo, y reducir la acumulacin de materiales en procesos aguas abajo. [39]

54

Los tratamientos primarios son los que eliminan una fraccin de los slidos suspendidos, coloides y de la materia orgnica del agua residual. Se efectan previos a los tratamientos secundarios y no remueve microorganismos ni material soluble. [72]

Cuando las aguas residuales han sido previamente tratadas mediante mtodos preliminares y primarios (fsicos o fsico-qumicos) y no se ha logrado eliminar un gran porcentaje de la contaminacin orgnica, se requiere someter estas aguas a tratamientos en donde la accin de los microorganismos transforma la materia orgnica biodegradable de los residuos en material estable e inofensivo a las fuentes receptoras. Los tratamientos secundarios son la combinacin de diferentes procesos empleados para la eliminacin de slidos en suspensin y de compuestos orgnicos biodegradables que incluyen tratamientos biolgicos. [72] Los tratamientos terciarios son los procesos encargados de conseguir una calidad excepcional en el efluente, por tanto se aplican en casos especiales. Las aguas que han sido tratadas con tratamientos terciarios pueden ser utilizadas en gran variedad de fines entre los que se encuentra el reuso. Es el nivel de tratamiento necesario para la eliminacin de constituyentes de las aguas residuales que merecen especial atencin como nutrientes, compuestos txicos, excesos de materia orgnica o de slidos suspendidos, iones y slidos disueltos. [72] Algunas de las Operaciones o procesos unitarios segn el nivel de tratamiento del agua se citan en la Tabla 3. Tabla 3. Operaciones o procesos unitarios segn el nivel de tratamiento de aguas

Tipo de tratamiento Operaciones o procesos unitarios

Preliminares

Dilaceracin, desbaste, filtracin, flotacin, remocin por gravedad, tanque Imhoff, filtracin por membrana, remocin de grasas y aceites, tamizado grueso y fino, y microtamizado. [72, 39]

Primarios Tamizado, sedimentacin primaria. [72]

Secundarios

Lodos activados, reactores de lecho fijo, sistemas de lagunaje, sedimentacin secundaria, desinfeccin. [72]

Terciarios

Coagulacin qumica, floculacin, sedimentacin seguida de filtracin y carbn activado. Intercambio inico, osmosis inversa, electrocoagulacin. [72]

55

Algunos de los criterios importantes para la seleccin de los sistemas de tratamiento de las aguas residuales se observan en la Tabla 4. Tabla 4. Criterios para seleccionar sistemas de tratamiento de aguas residuales. 1) El sistema debe ser simple en su operacin, mantenimiento y control, ya que una buena operacin no debe depender de la presencia de operadores e ingenieros experimentados.

6) La flexibilidad del proceso debe ser alta con respecto a la escala a la cual es aplicada, debe prepararse para las posibilidades de ampliacin y mejoramiento de la eficiencia.

2) El sistema no debe provocar malos olores y problemas de salud.

7) El requerimiento de rea debe ser bajo, en especial cuando no est disponible y/o el precio es alto.

3) El nmero de etapas requeridas para el proceso deben ser las mnimas posibles.

8) El sistema debe ofrecer buenas posibilidades para recuperar subproductos tiles en irrigacin y fertilizacin.

4) El sistema deber ser estable a interrupciones en la alimentacin.

9) Es recomendable disponer de la capacitacin suficiente en el manejo del sistema.

5) El tiempo de vida del sistema debe ser largo.

10) El sistema no debe tener ningn problema con la disposicin de lodos.

Fuente: MERCADO MARTNEZ, Ivn Daro. La electrocoagulacin, una nueva alternativa para el tratamiento de aguas residuales. Medelln, 2005. p. 26. Proyecto de grado (Especialista en Ingeniera Ambiental). Universidad Pontificia Bolivariana. Escuela de Ingenieras. Especializacin en Ingeniera Ambiental En la Tabla 5. aparecen los contaminantes importantes de las aguas residuales junto con las operaciones y procesos unitarios que se pueden emplear para eliminarlos.

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Tabla 5. Operaciones y procesos unitarios y sistemas de tratamiento utilizados para eliminar la mayora de los contaminantes presentes en el agua residual.

Contaminante Sistema de tratamiento, operacin proceso unitario

Slidos en suspensin

Desbaste y dilaceracin, desarenado, sedimentacin, filtracin, flotacin, adicin de polmeros, sistemas naturales (tratamiento de evacuacin al terreno) , coagulacin/sedimentacin.

Materia orgnica Biodegradable

Variantes de fangos activados, pelcula fija: filtros percoladores y biodiscos, variantes de lagunaje, filtracin intermitente en arena, sistemas fsico qumicos, sistemas naturaleza.

Compuestos orgnicos voltiles

Arrastre por aire, tratamiento de gases, absorcin en carbn.

Patgenos Cloracin, hipcloracin, cloruro de bromo, ozonacin, radiacin UV, sistemas naturales. Nutrientes:

Nitrgeno

Variantes de sistemas de cultivo en suspensin con nitrificacin y desnitrificacin, variantes de sistemas de pelcula fija con nitrificacin y desnitrificacin, arrastre de amoniaco, intercambio inico, coloracin al breakpoint, sistemas naturales.

Fsforo Adicin de sales metlicas, coagulacin y sedimentacin con cal, eliminacin biolgica del fsforo, eliminacin biolgica qumica del fsforo, sistemas naturales.

Nitrgeno y fsforo Eliminacin biolgica de nutrientes. Materia orgnica refractaria

Adsorcin en carbn, ozonacin terciaria, sistemas naturales.

Metales pesados Precipitacin qumica, intercambio inico, sistemas de tratamiento por evacuacin al terreno. Slidos disueltos orgnicos

Intercambio inico, osmosis inversa, electrodilisis.

Fuente: TCHOBANOGLOUS, George et al. Ingeniera de aguas residuales : tratamiento, vertido y reutilizacin. 3 ed. Mxico : Mc Graw Hill,1996. v.1, p. 144. 2.2 MTODOS ELECTROQUMICOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES

La bsqueda de nuevos tratamientos para combatir la contaminacin ambiental, ha llevado a los cientficos a considerar la utilizacin de los mtodos electroqumicos para transformar y remover los contaminantes de efluentes.

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Los mtodos electroqumicos de tratamiento de aguas residuales como la electroflotacin, electrodecantacin y la electrocoagulacin [41], involucran el uso de una celda electroltica y un par de electrodos metlicos a travs de los cuales se hace circular una corriente elctrica. [62] Sistemas electroqumicos pequeos son viables y en vez de usar reactivos qumicos y microorganismos, el sistema emplea electrones para realizar el tratamiento. Estos mtodos utilizan una instrumentacin robusta y compacta, fcil de conseguir que ofrezcan la posibilidad de una fcil distribucin y potencialmente pueden reemplazar procesos sofisticados, ya que requieren contenedores de poca capacidad. Entre las ventajas de los mtodos electroqumicos se encuentran los beneficios ambientales, de compatibilidad, versatilidad, eficiencia de energa, seguridad, selectividad, facilidad de automatizacin del proceso y bajos costos. Los mtodos electroqumicos han sido estudiados pero pocos autores se han enfocado en las variables que son cruciales para el mejoramiento del desempeo de estas aplicaciones. [66] De todas las tcnicas electroqumicas conocidas se tiene mayor inters en emplear la electrocoagulacin como mtodo de tratamiento de aguas residuales que contengan metales pesados, residuos de grasa, tintes textiles, partculas suspendidas, suspensiones acuosas de partculas ultrafinas, nitratos, fenoles, arsnico y contaminantes orgnicos, y se emplea para potabilizar agua. [66]

58

3. LA ELECTROCOAGULACIN La electrocoagulacin es un mtodo electroqumico de tratamiento de aguas contaminadas donde un electrodo de sacrificio se corroe para que se lleve a cabo la coagulacin. [11] La electrocoagulacin es un proceso complicado que envuelve varios mecanismos qumicos y fenmenos fsicos, que emplea electrodos consumibles para suplir iones en el agua residual. Un proceso de electrocoagulacin involucra tres etapas sucesivas:

Formacin de los coagulantes por oxidacin electroltica del electrodo de

sacrificio. Desestabilizacin de los contaminantes, partculas suspendidas y rompimiento

de la emulsin. Agregacin de las fases desestabilizadas para formar flocs. [66] El mecanismo de desestabilizacin de los contaminantes, partculas suspendidas y del rompimiento de emulsin se describe a continuacin: Compresin de la doble capa difusiva alrededor de las especies cargadas por

la interaccin de los iones generados por la oxidacin del nodo de sacrificio. Neutralizacin de las cargas de las especies inicas presentes en el agua

residual ocasionada por lo iones coagulantes producidos por disolucin electroqumica del nodo de sacrificio. Estos iones coagulantes reducen la repulsin electrosttica entre partculas lo que causa la coagulacin y de este proceso resulta una carga neta igual a cero.

Los flocs que se forman como resultado de la coagulacin crean una capa de lodos que atrapa y conduce las partculas coloidales que permanecen en el medio acuoso. [66]

Las siguientes reacciones fisicoqumicas tienen lugar en una celda de electrocoagulacin [66]: - Reduccin catdica de las impurezas presentes en el agua residual. - Descarga y coagulacin de las partculas coloidales. - Migracin electrofortica de iones en solucin. - Electroflotacin de las partculas coaguladas ocasionada por las burbujas de

hidrgeno y oxgeno producidas por los electrodos. - Reduccin de los iones metlicos en el ctodo. - Otros procesos qumicos y electroqumicos.

59

Cuando un potencial es aplicado por una fuente externa de energa, en el nodo se lleva a cabo una oxidacin mientras que en el ctodo se lleva a cabo una reduccin. La reaccin electroqumica con el metal (M) como nodo se puede resumir como se muestra a continuacin: [66] En el nodo:

)1()()(+ + enMM naqs

)2(42 )(2)()(2

+ ++ enOHOH gaql En el ctodo:

)3()()( snaq MenM + +

)4(222 )(2)(2

++ OHHeOH gl En el nodo metlico, fabricado habitualmente de hierro o aluminio, se llevan a cabo dos reacciones de separacin. Inicialmente el nodo se disuelve y produce de manera continua hidrxidos polimricos metlicos que son excelentes agentes coagulantes. La coagulacin ocurre cuando los cationes combinados con las partculas negativas son llevados cerca del nodo por movimiento electrofortico. Tambin se da la electrolisis del agua en una reaccin paralela produciendo pequeas burbujas de oxgeno en el nodo y de hidrgeno en el ctodo. Estas burbujas atraen las partculas floculadas y las hace flotar hasta la superficie, y es por esto que el proceso de electrocoagulacin esta asociado de manera intrnseca a la electroflotacin. Los contaminantes presentes en el agua residual son tratados por reaccin qumica y por precipitacin o adicin fsica o qumica a materiales coloidales que se generan por la erosin del electrodo. Estos son removidos posteriormente por electroflotacin o por sedimentacin y filtracin. El xito de un proceso de electrocoagulacin esta determinado por el tamao de burbuja y la mezcla adecuada de stas con el agua residual. Las pequeas burbujas proveen mayor rea superficial para que las partculas se adhieran en el lodo acuoso, resultando as una separacin eficiente. [66] En un proceso de electrocoagulacin el electrodo es usualmente conectado a una fuente de corriente directa. La cantidad de metal disuelto o depositado depende de la cantidad de electricidad que pase a travs de la solucin electroltica. Una

60

relacin simple entre la densidad de corriente y la cantidad de sustancia disuelta se puede derivar de la ley de Faraday:

)5(FnMtiw =

Donde: W: es la cantidad de material de electrodo disuelto (gr de Metal cm.-2). i: densidad de corriente (A cm.-2). t: tiempo (s). M: peso molecular del electrodo concerniente. n: nmero de electrones en la reaccin de xido reduccin. F: constante de Faraday (96,500 C mol-1). [66]

Se espera que la cantidad calculada de material disuelto concuerde con los resultados experimentales. Se puede introducir un error significativo en este clculo si no se tiene en cuenta la geometra del electrodo y las condiciones ptimas de operacin del electrocoagulador. [66]

3.1 POTENCIAL EN UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIN El potencial medido es la suma de tres componentes:

)6(IRMtKAP ++= Donde:

AP : Sobrepotencial aplicado (V).

K : Sobrepotencial cintico (V).

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Mt : Sobrepotencial de concentracin (V).

IR : Sobrepotencial causado por la resistencia de la solucin (V).

El sobrepotencial causado por la resistencia de la solucin esta relacionado con la distancia entre los electrodos (d en cm.), el rea superficial del ctodo (A en m2), la conductividad especfica de la solucin (k en mS m-1) y la corriente (I en A), por medio de la siguiente ecuacin:

)7(kAdI

IR =

Este sobrepotencial puede ser fcilmente minimizado decreciendo la distancia entre electrodos e incrementando el rea de seccin transversal de los electrodos y la conductividad especifica de la solucin. El sobrepotencial de concentracin tambin conocido como sobrepotencial de difusin o de transferencia de masa, es causado por la diferencia de concentracin de las especies electroactivas entre la solucin y la superficie del electrodo debido a la reaccin del electrodo. El sobrepotencial de concentracin es despreciable cuando la constante de velocidad de reaccin es mucho menor que el coeficiente de transferencia de masa. El sobrepotencial de transporte de masa puede ser reducido incrementando el flujo de los iones metlicos transportados desde la superficie del nodo hasta la solucin aumentando la turbulencia de la solucin. [66]

El sobrepotencial cintico tambin llamado potencial de activacin es causado por la barrera de la energa de activacin a la reacciones de transferencia de electrones. El sobrepotencial de activacin es particularmente alto por la generacin de gases en los electrodos. Ambos, el sobrepotencial cintico y de concentracin, incrementan al aumentar la corriente. De cualquier manera el efecto de estos cambios debe ser investigado para tipos especficos de especies qumicas y fsicas en soluciones acuosas. [66]

62

3.2. TIPOS DE REACTORES PARA ELECTROCOAGULACIN Los reactores empleados para el proceso de electrocoagulacin se pueden clasificar como se muestra en la Figura 1. La mayor cantidad de aplicaciones de la electrocoagulacin son en continuo y trabajan en condiciones de estado estable o pseudo estable. La aplicacin de la electrocoagulacin en batch opera tpicamente con un volumen constante de agua por ciclo de tratamiento y tiene una desventaja frente a los reactores en continuo desde el punto de vista de operacin y diseo, ya que las condiciones dentro del tanque cambian con el tiempo, es decir, tiene un comportamiento dinmico. Una diferencia importante entre los reactores se debe a si en el reactor se lleva a cabo o no el proceso de flotacin. [11] Figura 1. Clasificacin de sistemas de reactores de electrocoagulacin.

Fuente: HOLT, Peter K.; BARTON, Geoffrey W. and MITCHELL, Cynthia A. The future for electrocoagulation as a localized water treatment technology. En : Chemosphere. Vol. 59, No. 3 (Abr. 2005); p. 358.

63

3.3. DISEO DE UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIN Es importante disear una celda de electrocoagulacin para alcanzar la mxima eficiencia posible, por lo tanto se deben considerar los siguientes factores: - Se debe minimizar el sobrepotencial entre electrodos causado por la resistencia de la solucin y la acumulacin de burbujas en la superficie de los electrodos. - Se debe maximizar la transferencia de masa entre electrodos. [66] El transporte de masa se puede incrementar aumentando la turbulencia de la solucin en el reactor. Las burbujas gaseosas de oxgeno e hidrgeno que se forman alrededor de los electrodos son de forma esfrica y a medida que se acumulan en la superficie de los electrodos se incrementa la resistencia elctrica de la celda y como resultado de esto se requiere mayor cantidad de energa para lograr la eficiencia de remocin ptima; para minimizar esta acumulacin de las burbujas se puede emplear vibraciones. [66] Para el diseo de un reactor de electrocoagulacin se debe tener en cuenta que la celda de electrocoagulacin de dos electrodos que se observa en la Figura 2., no es conveniente para tratamiento de aguas residuales por que para obtener una rata de operacin de disolucin del metal ptima se requiere el uso de electrodos con la mayor rea superficial posible. El mejoramiento del desempeo se logra usando electrodos monopolares conectados tanto en paralelo como en serie. El arreglo en paralelo esencialmente consiste de un par de placas de metal ubicadas en medio de dos electrodos paralelos y una fuente de energa de corriente directa. En un arreglo monopolar cada par de electrodos de sacrificio estn internamente conectados entre s, y no tiene interconexin con los electrodos externos. Este arreglo de electrodos monopolares con celdas en serie es elctricamente similar a una celda con mltiples electrodos e interconexiones. El montaje experimental requiere adems de una caja de resistencias para regular el flujo de corriente y un multmetro para leer los valores de corriente. Las placas de metal se conocen comnmente como electrodos de sacrificio (el electrodo de sacrificio y el ctodo pueden ser de materiales diferentes o iguales). [66] Se debe tener en cuenta que una diferencia de potencial mayor se requiere para un mismo flujo de corriente cuando se realiza el arreglo en serie, por que las celdas conectadas en serie tienen una mayor resistencia mientras que en un arreglo en paralelo la corriente elctrica se divide entre los electrodos de manera proporcional a la resistencia de la celda individual. [66] Para mejorar el desempeo de la electrocoagulacin se recomienda intercambiar la polaridad de los electrodos de manera intermitente. [33]

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Figura 2. Diagrama esquemtico de una celda de electrocoagulacin de dos electrodos.

Fuente: MOLLAH., Mohammad et al. Fundamentals, present and future perspectives of electrocoagulation. En: Journal of Hazardous Materials. Vol. 114, No.1-3 (Oct. 2004); p. 202. 3.4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO DE

ELECTROCOAGULACIN.

La electrocoagulacin es una tcnica eficiente cuya relacin costo efectividad es buena. Adems como no se requiere de productos qumicos en este proceso entonces no se produce contaminacin secundaria. Con esta tcnica se pueden remover partculas coloidales pequeas de manera eficiente en comparacin con las tcnicas qumicas convencionales, ya que las pequeas partculas cargadas tienen mayor probabilidad de ser coaguladas por el campo elctrico que las mantiene en movimiento. [66, 12] En la Tabla 6. se encuentran listadas otras ventajas del proceso de electrocoagulacin:

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Tabla 6. Ventajas de proceso de electrocoagulacin. 1) Las burbujas producidas durante la electrocoagulacin tienen mayor estabilidad que las generadas en los tratamientos de efluentes con flotacin de aire comprimido y de flujo de aire disuelto, por lo que conservan su gran superficie de contacto y por tanto, aumenta la eficiencia de la remocin.

5) Sus costos de operacin son relativamente bajos si se realiza un apropiado diseo del reactor, seleccin de los materiales para electrodos, y una optimizacin de los parmetros de funcionamiento. ste proceso requiere poca corriente elctrica y bajos costos de mantenimiento.

2) ste tratamiento electroqumico provoca una mejor y rpida ruptura de las emulsiones, comparado con los equipos convencionales para separacin de aceites.

6) El material separado por electrocoagulacin puede ser reprocesado como subproducto lo cual permite que el efluente tratado pueda ser reutilizado.

3) La cantidad de lodos generados son menores que para otros mtodos tradicionales, ya que se efecta de manera simultnea flotacin y coagulacin.

7) Los equipos para electrocoagulacin son compactos y fciles de instalar, factores que son muy apreciables cuando no se dispone de espacio suficiente.

4) Permite la reduccin de una amplia variedad de contaminantes, como: metales pesados, grasas y aceites, materia orgnica, fosfatos y cianuros.

8) Este proceso es sencillo de automatizar debido a que el control de dosificacin se realiza mediante el ajuste de corriente.

Fuente: MERCADO MARTNEZ, Ivn Daro. La electrocoagulacin, una nueva alternativa para el tratamiento de aguas residuales. Medelln, 2005. p. 43. Proyecto de grado (Especialista en Ingeniera Ambiental). Universidad Pontificia Bolivariana. Escuela de Ingenieras. Especializacin en Ingeniera Ambiental Entre las desventajas de la electrocoagulacin se encuentra requerimientos como el reemplazo peridico del electrodo de sacrificio, y que el agua tenga una conductividad mnima que vara segn el diseo del reactor lo que limita su uso en aguas con baja cantidad de slidos disueltos. En el caso de la remocin de componentes orgnicos se pueden formar compuestos orgnicos txicos al emplear el mtodo de electrocoagulacin. Tambin como una desventaja se encuentra la formacin de una pelcula de xido impermeable en el ctodo que interfiere con el buen desempeo de la celda, este efecto se puede disminuir cambiando la polaridad de la celda. Los costo de operacin de la celda de electrocoagulacin pueden ser altos donde los costos de la electricidad sean altos. [66] Este sistema para el tratamiento de efluentes lquidos tiene una gran desventaja con respecto a otros tratamientos convencionales, ya que no tiene ninguna

66

incidencia en la remocin de la DBO ocasionada por los compuestos orgnicos solubles y solamente remueve un porcentaje de la DBO asociada con los slidos suspendidos. Por lo tanto, si el objetivo del tratamiento es remover los compuestos orgnicos que ejercen una demanda bioqumica del oxgeno disuelto en las corrientes receptoras, el proceso de electrocoagulacin resulta ser inadecuado. [49, 51] Adems cuando la concentracin de los metales en el efluente a tratar es baja, el tratamiento de electrocoagulacin resulta ser inadecuado, sin embargo a concentraciones altas se logran importantes remociones. [62] La literatura no revela ningn avance sistemtico para el diseo y operacin de reactores para la electrocoagulacin y no hay ningn diseo predominante usado hasta el momento, adems las publicaciones hechas hasta el momento se refieren a operaciones en batch. Tambin hay que considerar que hay poca asesora disponible para realizar un diseo preliminar. Igualmente se debe tener en cuenta que el desempeo de este tipo de reactores depende de los electrodos y el arreglo empleado, y vara de acuerdo al tipo de material y geometra de los electrodos. [11] Tabla 7. Soluciones a las dificultades operativas de un sistema de electrocoagulacin.

Dificultad operativa Solucin 1) El mayor problema operativo proviene de la inutilizacin de los nodos. Esto sucede, porque los hidrxidos insolubles pueden aglomerarse en la superficie del nodo impidiendo el proceso de electrodisolucin.

Para evitar ste problema se pueden utilizar electrodos mviles o sistemas de generacin de turbulencia (agitadores mecnicos, difusores de gas, etc.) o cambiar su polaridad, peridicamente y de esta forma el hidrgeno desprendido favorece la separacin de las capas adheridas a los electrodos.

2) Los principales problemas de esta tecnologa aparecen si la concentracin del in a eliminar en el agua residual es baja, ya que aparecen limitaciones en el transporte de materia y disminuye la eficacia del proceso ya que los procesos electroqumicos depende de la conductividad del residuo lquido en que se realizan.

Cuando las aguas residuales no tienen suficiente concentracin de sales, es necesario aadirlas ya que originan burbujas de gas de menores tamaos y tambin incrementan la conductividad del agua residual que se traduce en bajos consumos de energa y contribuye a un mejor rendimiento de los electrodos.

Fuente: MERCADO MARTNEZ, Ivn Daro. La electrocoagulacin, una nueva alternativa para el tratamiento de aguas residuales. Medelln, 2005. p. 45. Proyecto de grado (Especialista en Ingeniera Ambiental). Universidad Pontificia Bolivariana. Escuela de Ingenieras. Especializacin en Ingeniera Ambiental

67

3.5. APLICACIONES DE LA ELECTROCOAGULACIN La electrocoagulacin tiene una larga historia como tecnologa de tratamiento de aguas y la literatura indica que fue descubierta en los ltimos cien aos o quizs ms. En tiempos recientes se ha dado un inters renovado por las plantas de tratamiento continuo de aguas para aplicaciones de tipo industrial, basadas en la tecnologa de electrocoagulacin, debido a su efectividad para remover un amplio rango de contaminantes, su bajo costo comparado con otras tecnologas y su simplicidad de diseo y operacin. [11] Hasta el momento las aplicaciones y estudios reportados en artculos de revistas sobre la electrocoagulacin se centran en un solo contaminante y todos estos experimentos prueban la viabilidad de la electrocoagulacin. [11] ste es un mtodo efectivo para desestabilizar partculas finas dispersas en aguas, para tratar aguas con compuestos orgnicos complejos que se oxidan en el nodo y se descomponen en sustancias simples que no son txicas. [9] Adems ha sido aplicado de manera satisfactoria para tratar agua potable [26, 47, 30], aguas residuales de: procesadores de alimentos [17, 33], industria cervecera [56], urbanas [47], de restaurante [41, 32], industria textil [11, 49, 47, 41, 32, 28, 29], tambin para tratar aguas que contengan arsnico [28, 46, 38], iones fluoruro [31, 18, 10, boro [23], surfactantes [36], metales pesados [38, 19], aceites [57, 21], tintes textiles [41, 53, 54, 16, 14, 60, 1, 41, 55, 38], desechos polimricos [22], partculas suspendidas [43], suspensiones acuosas de partculas ultrafinas [37], nitrato [58], residuos fenlicos [25], fsforo [45], flor [18, 10, 50], entre otros. La optimizacin de la tcnica de electrocoagulacin es un proceso emprico, hasta el momento que comprende procesos qumicos y fsicos complejos que envuelven fenmenos de interfase y de superficie. Debido a que sus fenmenos no son totalmente entendidos, el diseo de los reactores se ve restringido para as obtener el desempeo ptimo de los mismos, y su potencial de aplicacin se ve entonces limitado. [66] Sin embargo se reporta en la literatura algunos efectos de los factores controlables y variables respuesta en el proceso de electrocoagulacin que deben tenerse en cuenta a la hora de realizar un el diseo de equipos o para la operacin de los mismos, estos aspectos se resumen en las Tabla 8. y 9.

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Tabla 8. Efectos de algunos factores controlables en electrocoagulacin. Factor Efectos

Voltaje

Es dependiente de la densidad de corriente, de la conductividad del agua a tratar, de la distancia entre electrodos y del estado de la superficie de los mismos. [33] El voltaje entre electrodos es independiente del pH si el agua tratada no se aleja mucho de un valor de pH de 7. [62] El voltaje puede minimizarse decreciendo la distancia entre electrodos e incrementando su rea de seccin transversal y la conductividad especifica de la solucin. [66]

Densidad de corriente

Mientras mayor sea la densidad de corriente aplicada mayor ser la produccin de burbujas en los electrodos. [31]

Distancia entre

electrodos

Debe ser lo menor posible, ya que tiene una considerable influencia en el consumo de energa. [62]

Consumo de

electrodo

Como consecuencia de la disolucin de los electrodos los electrodos se desgastan y su tiempo de vida til se relaciona directamente con la corriente aplicada al sistema y el tiempo de residencia hidrulico del lquido a tratar [62]

Material del

electrodo

Deben tener resistencia qumica y buenas propiedades electroqumicas, por lo cual el ctodo debe contar con elevados sobrepotenciales que favorezcan las reacciones de descomposicin del agua y permitan obtener elevados rendimientos electroqumicos. Usualmente se usan electrodos de aluminio y hierro.[44] Se debe tener en cuenta los precios segn el material. [62]

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Tabla 9. Efectos de algunas de las variables respuestas sobre el proceso de electrocoagulacin.

Variable respuesta Efectos

pH Medida de la acidez o alcalinidad de medios acuosos. Se expresa como el logaritmo negativo (base 10) de la concentracin molar de iones H+. [68]

Es un factor importante que afecta el desempeo del proceso de electrocoagulacin. [32, 41, 34].

Conductividad Es la medida de la capacidad del agua para conducir la electricidad. Es por tanto indicativa de la materia ionizable total presente en el agua. Esta proviene de una base, un cido o una sal, disociadas en iones. [68]

Un incremento en la conductividad generalmente causa incrementos de la densidad de corriente para el mismo voltaje de celda por esto se quiere que la conductividad del agua sea lo ms alta posible. [11]

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4. LA INDUSTRIA TEXTIL 4.1 GENERALIDADES La industria textil es una de las ms grandes del mundo en trminos de su produccin y el nmero de trabajadores que ocupa; esta compuesta por ms de 7000 plantas alrededor del mundo. 4.2 INDUSTRIA TEXTIL EN COLOMBIA Para hacerse una idea del impacto de la industria de textiles y confecciones en Colombia, hay que decir que es una de las ms grandes y experimentadas de Amrica Latina con la aplicacin de tecnologas de punta. La cadena textil-confeccin concentra el 12.1% de la produccin industrial de Colombia, cerca del 6% de las exportaciones totales y el 13.3% de las ventas de productos no tradicionales del pas. [73] La oferta textil colombiana ofrece casi toda la gama de textiles, entre los cuales se encuentran como principal unidad de materia la oferta de fibras, que bien pueden ser naturales como el algodn o fibras sintticas como el polister y el nylon. La etapa textil comienza propiamente con los hilanderos y termina con los tejedores, acabadores y fabricantes de artculos textiles; los componentes de mayor representatividad son los tejedores quienes tienen a su vez dos ramas importantes: los de tejido plano y los de tejido de punto, sobre estos se mide la capacidad de la industria textil en funcin del nmero de telares o de la capacidad de produccin en metros cuadrados. [67] Colombia cuenta con ms de 530 textileros dedicados a alguna de las diferentes etapas que componen la cadena textil. En la Tabla 10. y 11. se muestra como se distribuyen los asentamientos de la industria textil a lo largo del territorio nacional de acuerdo a la regin y a la tecnologa. Medelln y Bogot concentran la industria textil de Colombia, sin embargo las condiciones son diferentes. En Medelln naci y se desarrollo la industria textil en Colombia, y ahora constituye una industria madura con instalaciones amplias e integradas, y cuenta con industrias poderosas y de renombre a nivel nacional como Fabricato, Tejicondor y Coltejer. Tambin cuenta con empresas aunque pequeas representativas en otros segmentos de la industria textil como por ejemplo, Indulana y Vicua en la lana y Fatelares. Bogot presenta una industria

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joven que data de la dcada de los 60 y 70; en cuya regin se han posicionado marcas como Textilia, Protelia y Lafayette. [67] Tabla 10. Distribucin de los tejedores en el pas.

Actividad Medelln Bogot Resto del pas Total Tejido plano 21 66 16 103 Punto circular 88 57 8 153 Punto tricot 18 26 2 46 Punto raschel 9 18 2 29 Total Ciudad 136 167 28 331 Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones bsicas. En : Plantacin Estratgica de Coltejer. (1995); p. 16. Tabla 11. Distribucin de otros textileros en el pas.

Actividad Medelln Bogot Resto del pas Total Medias & Calc. 34 37 8 79 Cinteria 18 13 6 47 Hilanderos 20 26 13 49 Acabadores 12 13 0 25 Total Ciudad 84 89 27 200 Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones bsicas. En : Plantacin Estratgica de Coltejer. (1995); p. 16. No obstante Colombia es un pas apto para la produccin de la industria textil, es as como a partir de la dcada de los 80 la industria se viene expandiendo poniendo sus ojos en otras regiones como es el caso de Ibagu, en especial con la empresa Fibratolima. En Colombia la reparticin de las empresas no corresponde a la capacidad de produccin, Bogot tiene el mayor nmero de empresas y representa el 39% de la produccin mientras Medelln representa el 49%. En las Tablas 12, 13 y 14. se indica la distribucin de la capacidad de produccin por actividad y regin. [67]

Ciudad

Ciudad

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Tabla 12. Telares instalados en tejedura.

Actividad Medelln Bogot Resto del pas Total

Tejido plano 3665 2205 1357 7023

Punto circular 882 658 72 1612

Punto tricot 127 308 71 443

Punto raschel 71 367 8 443

Total Ciudad 4745 3538 1508 9521 Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones bsicas. En : Plantacin Estratgica de Coltejer. (1995); p. 17. Tablas 13. Telares instalados en confeccin tejida y maquinaria de hiladura.

Actividad Medelln Bogot Resto del pas Total

Medias 205 1284 230 1719

Calcetera 1555 470 97 2122

Cintera 2090 980 479 3549

Rectilneas 300 1200 1500

Hilatura huso 564 210 197 971

Hilatura rotor 11600 10600 3500 25700 Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones bsicas. En : Plantacin Estratgica de Coltejer. (1995); p. 17. Tabla 14. Distribucin de la capacidad de produccin en millones m2

Tejedura

Actividad Medelln Bogot Resto del pas Total

Tejido plano 270 166 79 515

Punto circular 104 77 9 190 Punto tricot 19 46 1 66

Punto raschel 399 33 1 40

Total Ciudad 399 322 30 811 % 49 39 12 100

Confecciones tejidas Medias 7 45 8 60 Calcetera 12 4 1 17 Cintera 12 6 3 21

Rectilneas* 6 20 26 Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones bsicas. En : Plantacin Estratgica de Coltejer. (1995); p. 17.

73

Las compaas tejedoras destacadas del pas se muestras en la Tabla 15. Tabla 15. Principales Tejedores de tela del pas Medelln Bogot Resto del pas

Tejido plano

Coltejer, Fabricato, Pantex, Tejicndor, Fatelares, Indulana,

Vicua, Bolton

Textilia, Textrama, Texmeralda, Hilat Lafayette, Intextil

Romanos, Poltexas,

Fibratolima (Ibagu)Unica (Manizales)

Celtex (Barranquilla)Fabrisedas (Cali)

Tejido de punto circular

Riotes, Coltepunto Liverpool, Prisma Lindalana, Arango

Balalaika, Gatv Vestimundo, Ciatex

Protela, Lafayette, Suavipunto, Eliot

Unionpunto, Hilacol Textilia, Textura.

Calitex (Cali) Fatextol (Ibagu)

Tejido punto rectilneas

Formaflex, Balalaika, Puntoflex

Triconylon

Protela, Textura, Tricotexto, Lafayette

Rascheltex, Icobordados,

Cortintex

-

Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones bsicas. En : Plantacin Estratgica de Coltejer. (1995); p. 18. 4.3 PROCESOS DE LA INDUSTRIA TEXTIL Los procesos de produccin de la industria textil se caracterizan por consumir gran cantidad de energa, colorantes, productos qumicos y agua, y por causar contaminacin qumica [29, 24]. La industria textil procesa diferentes fibras y debido a la gran diversidad de procesos, productos qumicos y maquinaria empleada, estas industrias son muy variadas y numerosas, y van desde plantas altamente automatizadas hasta pequeas instalaciones artesanales. [40] Los procesos de la industria textil comprenden las operaciones de pretratamiento, teido, estampado y acabado. En el pretratamiento se elimina el carcter hidrofobito de la tela cruda por medio del engomado, donde se usan ceras, gomas o aceites naturales. En la operacin de acabado se imprime a la tela cruda caractersticas y propiedades especiales, ya que sta presenta una contextura rgida amarillenta, sin brillo y posiblemente tenga impurezas. Una vez terminado el acabado de la tela sta debe absorber rpidamente agua, estar libre de grasas, gomas, minerales e impurezas y tener afinidad con los colorantes.

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Dentro de los diferentes tratamientos que recibe la tela en la etapa de acabado estn: Preparar la tela para posteriores etapas como el chamuscado, desengomado, descrude, mercerizado y blanqueo. Cambiar su fisonoma como el teido y el estampado. Brindarle propiedades finales de apariencia, suavidad, inarrugabilidad y repelencia. [67] En la Figura 3. se observa un esquema de un proceso de acabado tpico en la industria textil y su carga contaminante. Figura 3. Acabado textil y carga contaminante.

Fuente: RODRIGUEZ, Oscar y ROLDAN, Jhon Jairo. Alternativas para el tratamiento de aguas residuales en tintoreras textiles : Caso PANTEX S.A. Medelln, 1997, 189 p. Tesis (Ingeniero Qumico). Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad de Ingeniera Qumica.

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4.4 CARACTERSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA

TEXTIL

De los 200 mil millones m3 de agua dulce disponible para la industria a nivel mundial, 2.5 mil millones de m3 es decir el 1.25% corresponde a industrias textiles, la cual estar altamente contaminada despus de los procesos. Para la fabricacin de una tonelada de producto textil se consume aproximadamente 200 toneladas de agua y del total de productos qumicos utilizados el 90% aproximadamente es vertido como desecho despus de cumplir su misin. [27] En la Grfica 4. se observa la distribucin del consumo de agua en la industria textil. [24] Grfica 4. Distribucin del consumo de agua en la industria textil.

41%Pre-

tratamiento

1% Acabados

52%Tintura

6%Refrigeracin

Fuente: BOTERO SANIN, Lus Fernando. Industria textil y medio ambiente. Parte I. En : Colombia Textil. Vol. 32, No. 121 (jul.sep. 1996); p. 50. Las operaciones que contribuyen con la mayor descarga de desechos lquidos son el lavado, la tintura, el estampado y el acabado. Las aguas residuales textiles son irregulares y variables en su composicin ya que dependen de la unidad de proceso y la operacin que se efectu. [67] Las industrias textiles son contaminantes en trminos de volumen y complejidad de sus efluentes ya que cada una de las actividades que realizan genera agua residual de caractersticas muy variables. [40] Adems las aguas residuales textiles se caracterizan por tener pH que vara de acuerdo al proceso, altos valores de DQO, DBO, altos niveles de color, turbiedad, una alta concentracin de slidos suspendidos y descargas a altas temperaturas. [8, 11, 41] Valores tpicos de DQO y DBO para industrias dedicadas al acabado textil son 1700 mg O2/L y 550 mg

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O2/L. [24] Las aguas residuales de teido y de procesos de acabado de la industria textil con una demanda qumica de oxgeno que exceda 1600 mg/l y que tenga un color muy oscuro es considerada agua residual altamente contaminada y fuente significativa de contaminacin. [11] En la Tabla 16. se clasifican los contaminantes de las aguas residuales textiles en tres grandes grupos. [40] Tabla 16. Clasificacin general de los contaminantes de las ARI textiles

Clasificacin Efectos contaminantes

Materias en suspensin: (Residuos minerales, fibras, sustancias insolubles) Son relativamente escasas en los efluentes textiles excepto en los lavaderos de lana.

Las materias disueltas se depositan lentamente sobre los cursos de agua, si el depsito es importante afecta la vida acutica. Cuando estas materias son de naturaleza orgnica se descomponen progresivamente agotando el oxgeno y generando gases txicos y mal olientes.

Materias flotantes: Aceites, grasas y espumas

Disminuyen el crecimiento de la flora acutica al impedir la penetracin de la luz. Los aceites en particular son txicos y perturban la aireacin de los cuerpos acuticos y destruyen la vegetacin. La industria textil slo genera grasas y aceites de forma importante en el lavado de la lana y en los procesos de estampacin en los que intervienen pastas de petrleo. Los tensoactivos son de uso generalizado y en concentraciones bajas (1 - 3 mg/L) son suficientes para producir espuma al verter el agua incluso despus de un proceso de depuracin. No obstante si las cantidades de tensoactivo son pequeas la espuma desaparece despus de muy pocos metros del vertido.

Impurezas disueltas: Son los contaminantes presentes en las ARI textiles de mayor importancia, entre estos se encuentran: cidos, lcalis, reductores, oxidantes, colorantes y un sin nmero de productos auxiliares todos ellos solubles en agua.

Los reductores y la materia orgnica disuelta consumen el oxgeno. Algunos de los productos contaminantes disueltos pueden ser adems txicos, como los derivados fenlicos, transportadores de tintura, cromo, grasa, aceites, metales pesados, etc.

Fuente: CRESPI, M y HUERTAS, J. A. Industria textil : Depuracin biolgica o fisicoqumica? En : Boletn Intextar del Instituto de Investigacin Textil y de Cooperacin Industrial Terrasa. Vol. 2, No. 92 (jul.dic. 1987); p.75-90

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Teniendo en cuenta el proceso de acabado sealado en la Figura 3. se observa que cada etapa contribuye en la carga total contaminante y por ende en la composicin del agua residual. La carga contaminante del desengomado est dada por slidos suspendidos y disueltos, grasas y aceites. sta etapa contribuye aproximadamente en un 50% del total de slidos suspendidos producidos por la planta. En el mercerizado tambin se emplea soda custica causando los mismos efectos sobre la carga contaminante que el desengomado. [67] En la etapa de descrude se emplea hidrxido de sodio o soda custica, que causa una elevada alcalinidad y color grisceo en el agua residual (color que es justificado por las impurezas aun presentes en la tela), por lo general no es posible recuperar este agente qumico por los altos costos que esto conlleva. [67] El blanqueo es realizado con perxido de hidrgeno contribuye poco con la carga contaminante. [67] El aporte a la carga contaminante de los procesos de teido es muy significativo y depende del tipo de colorante utilizado en la tintura, por lo general se presentan bajas cantidades de slidos suspendidos y altas cantidades de DQO y DBO. En la Tabla 17. se observan valores tpicos de la carga contaminante causada por diferentes colorantes. [67] Tabla 17. Carga contaminante que aportan los colorantes.

Colorante Litros de agua por Kg. de Tela DQO (ppm)

Slidos totales (ST)

Reactivos 74-210 150-400 2400-8200 Directos 14-53 440-1200 220-14000

Sulfurosos 24-212 22-3600 4200-14100 Tinas 8-160 250-3000 1700-7400

Fuente: RODRIGUEZ, Oscar y ROLDAN, Jhon Jairo. Alternativas para el tratamiento de aguas residuales en tintoreras textiles : Caso PANTEX S.A. Medelln, 1997. 150 p. Tesis (Ingeniero Qumico). Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad de Ingeniera Qumica El estampado presenta elevada DQO y DBO, alto contenido de slidos y los valores de pH se encuentran entre neutro y alcalino. [67] La contribucin de los procesos especiales a la carga contaminante est dada por resinas y productos naturales que son aplicados a la tela para darle propiedades particulares. [67]

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4.4.1 Aguas residuales de los procesos de teido. En general las aguas residuales del proceso de teido contiene fibras textiles, tintes reactivos hidrolizados que no se fijan en las fibras y que representan entre un 20% y 30% del tinte aplicado, estos residuos de tintes son los responsables de la coloracin del agua y no pueden ser reciclados. Adems contienen tintes auxiliares, sustancias orgnicas que tampoco son reciclables y que son los responsables del alto nivel de DBO y DQO de los efluentes, tambin contienen electrolitos principalmente carbonato de sodio y cloruro de sodio. Este tipo de efluentes alcanza pH entre 10 y 11 y temperaturas entre 50 y 70C. [29] Los procesos de teido son de los que aportan mayor carga contaminante de los procesos textiles debido a que causan coloracin de las aguas y a los tintes que contienen sustancias txicas y cancergenas. [8] Tal coloracin tiene un impacto negativo sobre la fuente de agua receptora, porque interfiere con la transmisin de luz a travs del agua impidiendo la fotosntesis de las plantas acuticas [59, 61]. Estas aguas cambian de color con frecuencia ya que los tintes varan segn los requerimientos del consumidor. [20] 4.5 TRATAMIENTOS PARA LAS ARI TEXTILES POR

ELECTROCOAGULACIN

La industria textil es un sector expuesto a la sensibilidad pblica y est sometido a crticas, por lo tanto debe considerar como lograr sobre la tela los efectos finales deseados sin tener un impacto sobre el medio ambiente negativo. Por el momento la importancia del impacto ambiental es una realidad en los pases industrializados y una necesidad a corto y mediano plazo para aquellos que se encuentran en va de desarrollo, esto significa que toda inversin realizada en la proteccin del medio ambiente supone una garanta para el futuro, el alcance de mercados internacionales, el aumento de la competitividad, evita problemas con el pblico, el gobierno y las entidades financieras internacionales, adems permite controlar riesgos de accidentes, sacar ventajas de nuevas oportunidades y disminuir sanciones por contaminacin. [24] Debido a la variabilidad en composicin de las aguas residuales provenientes de la industria textil algunos de los mtodos convencionales empleados para la descontaminacin de este tipo de ARI como degradacin qumica, adsorcin, precipitacin, fotodegradacin, biodegradacin y coagulacin qumica [41] son inadecuados e insuficientes, y los costos de emplear dichos mtodos son altos debido a que requieren de gran cantidad de reactivos qumicos y espacio para el montaje de los equipos de proceso. Es por esto que los mtodos electroqumicos para tratamiento de estos efluentes son tan prometedores debido a que se han comprobado su buen funcionamiento para remover contaminantes que se

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encuentran en este tipos de aguas [11] y adems se ha encontrado que la mayora de los compuestos que originan el color de los efluentes son factibles de remover por medio de tratamientos electrolticos [70, 29, 2, 52, 34]. La electrocoagulacin es un mtodo electroqumico simple y efectivo que ha sido empleado de manera en los ltimos aos como un mtodo para tratar aguas residuales de la industria textil, debido a que remueve de manera eficiente DQO, color, turbiedad y slidos disueltos y adems opera con bajo consumo de energa. [11] En la literatura se reporta algunos efectos de los factores controlables y variables respuesta en el proceso de electrocoagulacin que deben tenerse en cuenta junto con los descritos en las Tablas 8.y 9. para la optimizacin de este proceso al tratar aguas de la industria textil, estos aspectos se resumen en las Tabla 18. y 19. Tabla 18. Efectos de factores controlables en la electrocoagulacin en ARI textiles.

Factor Efectos

Densidad de

corriente

Para igual tiempo de retencin y eficiencia de remocin de turbidez y DQO, el hierro requiere aproximadamente un 50% menos de densidad de corriente que el aluminio. [13] Es el parmetro ms importante para controlar para controlar la velocidad de reaccin en el rector por que determina la rata de produccin de coagulante y ajusta la rata y el tamao de burbuja. [41]

Tiempo de retencin

En ARI textiles el tiempo de operacin y la densidad de corriente muestran efectos similares en el consumo de energa y desgaste de los electrodos. Adems se ha observado que para electrodos de aluminio el tiempo de retencin es aproximadamente 50% mayor que para electrodos de hierro para obtener la misma remocin de DQO. [11]

Energa elctrica

consumida

La energa consumida KWh por Kg. de DQO removido es menor usando hierro como electrodo, y al aumentar la conductividad del agua decrece este consumo, esto para ARI textiles. [11]

Consumo de

electrodo

Para ARI textiles se ha encontrado que el consumo de electrodo por Kg de DQO removido es menor usando electrodos de aluminio, adems al aumentar la conductividad del agua decrece este consumo. [11]

Material Del electrodo

Para aluminio la energa consumida es mayor y el consumo de electrodo es menor, que usando electrodos de hierro. [13]

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Tabla 19. Efectos de algunas de las variables respuestas en electrocoagulacin. Variable respuesta Efectos

PH Medida de la acidez o alcalinidad de medios acuosos. Se expresa como el logaritmo negativo (base 10) de la concentracin molar de iones H+. [68]

En tratamiento de ARI textiles se debe aluminio si el ph es menor a 6 ya que se obtiene mayor eficiencia de remocin de turbidez y DQO, mientras que en medio alcalino o neutro se prefiere hierro. [13] Para un pH entre 5.5 y 8.5 se da la mayor eficiencia de remocin de color causado por tintes, pero no es necesario realizar un ajuste de pH si el ARI textiles no se encuentra en este rango. [41]

DQO Parmetro de contaminacin de agua que mide la materia orgnica contenida en una muestra lquida mediante oxidacin qumica. [3]

En ARI textiles se ha encontrado que el hierro es ms eficiente para remover DQO que el aluminio, ya que hay diferencias en el mecanismo de remocin de DQO para aluminio y hierro, ya que la remocin de DQO con electrodo de aluminio se lleva a cabo por electrocoagulacin, mientras que con electrodos de hierro se lleva a cabo por efecto de electrocoagulacin y electro - oxidacin. [11]

Conductividad: La conductividad es la medida de la habilidad de una solucin acuosa para conducir una corriente elctrica, sta habilidad depende de la concentracin, movilidad y valencia de los iones presentes. [3]

Las ARI textiles varan su conductividad segn el proceso, la conductividad del agua residual se puede ajustar hasta los niveles deseados adicionando sales como NaCl o agua desionizada, estos ajustes afectan el valor inicial de pH. Para electrodos de hierro y aluminio el consumo de energa y de electrodo disminuye al aumentar la conductividad del agua. [11] Aumentar la conductividad de las aguas residuales no tiene un efecto considerable en la eficiencia de remocin de color en aguas con tintes. [41]

Color Aparente: Color ocasionado por sustancias en solucin, coloidales y material suspendido. [3]

La decoloracin de las aguas residuales de lavanderas industriales es ms rpida con electrodos de aluminio que de hierro. stos ltimos, hacen cambiar el color de las aguas de azul a verde y por ltimo las decoloran mientras el aluminio vuelven las aguas incoloras directamente en tiempos ms cortos, por lo tanto son mejor opcin si se pretende reutilizar parte del agua tratada, porque los xidos de hierro pueden deteriorar las prendas [30, 61]

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4.6 REUSO DE EFLUENTES DE LA INDUSTRIA TEXTIL

Por cada tonelada de tela que se produce se consumen de 20 a 350 m3 de agua, este amplio rango refleja la variedad de procesos de la industria textil. Debido a la gran cantidad de agua requerida en los procesos de la industria textil y al alto costo del vertimiento y disposicin del agua, se considera el reuso de estos efluentes industriales como una alternativa viable para disminuir los costos y la contaminacin ambiental. [71] Es imprescindible disminuir la coloracin de estos efluentes al mnimo, y remover los compuestos orgnicos e inorgnicos de los efluentes as como los slidos suspendidos, si se desea reusar el agua, es decir, que los efluentes de un proceso, tratados o sin tratar, se emplean en otro proceso que requiere una calidad de agua diferente. [6] Los tratamientos convencionales de ARI textiles consisten en la combinacin de procesos fsicos, qumicos y biolgicos. Los procesos biolgicos son poco efectivos en la remocin de tintes ya que por lo general son polmeros de baja biodegradabilidad y las otras tcnicas convencionales se ven limitadas por los bajos rangos de concentracin en que pueden ser utilizados, sin embargo, los mtodos electroqumicos han probado ser satisfactorios en la remocin de tintes. [49] Para el tratamiento de estas aguas se sugiere mezclar los diferentes efluentes, eliminar la mayor cantidad de contaminantes y reutilizar el agua para lavados o como aguas de proceso, dependiendo del tratamiento seleccionado para la descontaminacin. [29]

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5 DISEO DE EXPERIMENTOS

Para determinar la factibilidad de la implementacin de un tratamiento para aguas provenientes de lavanderas industriales por electrocoagulacin con el fin de obtener agua de reuso para as disminuir costos de produccin, y teniendo en cuenta la informacin encontrada en la bsqueda bibliogrfica, se llev a cabo un diseo de experimentos con el cual se determin la forma adecuada de correr las pruebas experimentales de manera tal que la informacin obtenida permiti obtener conclusiones estadsticamente vlidas sobre el proceso. Como es necesario estudiar varios factores del proceso de electrocoagulacin, se seleccion el diseo experimental factorial fraccionado 2K-P, ya que ste diseo permite investigar el efecto individual principal y de interaccin de los diferentes factores sobre las variables respuestas. Los diseos factoriales fraccionados sacrifican informacin poco importante (interacciones de alto orden), en aras de un nmero de tratamientos manejable y de obtener informacin de los efectos relevantes, en este caso se considera verdad el principio de jerarqua de los efectos (son ms importantes los efectos principales, seguidos por interacciones dobles, luego las triples, cudruples, etc.); adems cuando se elige correr una fraccin se busca poder estimar los efectos relevantes. Las variables respuestas que se consideraron son turbiedad, conductividad y pH, y los factores controlables: voltaje, distancia entre placas, material del nodo, nmero de placas y tiempo de retencin, estos factores fueron elegidos de acuerdo a la posible influencia que tienen sobre las variables respuesta. Se realiz una rplica de los experimentos y se trabaj cada uno de los factores en dos niveles. 5.1 DESCRIPCIN DEL DISEO DE EXPERIMENTOS

Para el anlisis de los datos experimentales se empleo el software especializado Statgraphics donde se desarroll un diseo factorial fraccionado 25-1 que estudia el efecto de 5 factores en 32 experimentos realizados en dos rplicas y cada factor en dos niveles, para evaluar la influencia de los factores sobre las variables respuesta. Los experimentos se llevaron a cabo de manera aleatoria para minimizar el efecto de las variables no controladas. Los factores controlables y las variables respuestas se seleccionaron segn la supuesta influencia sobre el proceso de electrocoagulacin reportado en la bibliografa. La informacin bsica acerca de los factores controlables y las variables respuestas en el diseo de experimentos se presenta en las Tablas 20 y 21. respectivamente.

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Tabla 20. Informacin de los factores controlables del diseo de experimentos Factores Nivel bajo Nivel Alto Unidades Continuo Voltaje 10.0 20.0 V Si

Distancia entre placas 0.7 1.5 cm. Si Material del nodo Aluminio (-1) Hierro (1) - No

Tiempo de retencin 5.0 10.0 Min. Si Nmero de placas 2 6 - No

Tabla 21. Informacin bsica de las variables respuestas estudiadas.

Variable respuesta Unidades Instrumento de medicin pH Unidades de pH PHmetro (WTW 330i)

Conductividad mS/cm. Conductmetro (WTW 330i) Turbiedad NTU Turbidmetro (HANNA Instruments)

5.2 MATERIALES Y MTODOS Se emple una muestra de agua textil de varios procesos de lavado y teido que se llevan a cabo en una lavandera industrial de la ciudad de Medelln. La Tabla 22. resume las caractersticas de los efluentes industriales empleados en la experimentacin y segn estos valores se seleccionaron los niveles de los factores para el diseo de experimentos. Tabla 22. Caracterizacin del ARI empleada en los experimentos.

Parmetro Valor pH 2.82

Conductividad 2.53 mS/cm. Turbiedad 248 NTU

Los experimentos se llevaron a cabo a escala de laboratorio en celdas rectangulares de acrlico de dimensiones 30 cm. de profundidad, 10 cm. de ancho y 10 cm. de largo. Se emplearon electrodos de placas planas de calibre 20, de 10 cm. de ancho por 20 cm. de largo con un rea de nodo activa total de 81.25 x 10 cm2 para 6 placas y de 15.45 x 10 cm2 para 2 placas. Se emplearon nodos de hierro o aluminio y ctodos de acero inoxidable. En cada experimento se trat una muestra de 2L de agua residual y se emple una fuente regulada de voltaje (Inelpro, 110V monofsica), para aplicar un sobrepotencial de 10V 20V segn el caso. Las muestras se filtraron con papel filtro antes de ser analizadas, para retirar lodos y slidos gruesos como lanas y piedra pmez, para asegurar una muestra homognea y que la medicin de turbiedad fuera confiable, simulando as la forma

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en que se llevan a cabo los procesos a escalas mayores. Las variables respuestas se midieron de acuerdo a los procedimientos del Standard Methods of Water and Wastewater [3]. El montaje experimental se observa en las Figuras 4. y 5. y en la Foto 1. Figura 4. Diagrama esquemtico del montaje experimental

Figura 5. Modelo de reactor de electrocoagulacin utilizado con electrodos bipolares en serie.

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Foto 1. Montaje experimental.

Fuente: tomada por Maria Catalina Bermdez. Medelln. 2006. Los resultados experimentales obtenidos se observan en las Tablas 23. y 24.

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Tabla 23. Resultados experimentales de la primera rplica.

Voltaje Distancia entre Placas Material del

nodo Tiempo de retencin

Nmero de placas pH Conductividad TurbiedadRplica

V Cm - min - - mS/cm NTU 1 10 1.5 Aluminio 10 6 4.59 2.03 212 1 20 1.5 Hierro 10 6 6.00 1.986 187 1 20 0.7 Hierro 10 2 5.14 2.02 55 1 20 0.7 Aluminio 5 2 4.94 2.04 61 1 10 0.7 Hierro 5 2 3.57 2.16 195 1 10 1.5 Hierro 10 2 3.41 2.21 197 1 20 1.5 Aluminio 5 6 5.28 2.05 162 1 10 0.7 Hierro 10 6 4.97 2.05 166 1 20 0.7 Aluminio 10 6 6.22 2.01 94 1 10 0.7 Aluminio 5 6 3.98 2.04 187 1 20 1.5 Hierro 5 2 4.3 2.14 65 1 20 1.5 Aluminio 10 2 5.07 2.06 72 1 10 1.5 Aluminio 5 2 3.61 2.16 233 1 10 1.5 Hierro 5 6 3.53 2.23 283 1 10 0.7 Aluminio 10 2 5.58 2.03 68 1 20 0.7 Hierro 5 6 5.92 1.992 204

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Tabla 24. Resultados experimentales de la segunda rplica.

Rplica Voltaje Distancia entre Placas Material del

nodo Tiempo de retencin

Nmero de placas pH Conductividad Turbiedad

V Cm - min - - mS/cm NTU 2 20 1.5 Hierro 10 6 5.78 1.986 219 2 20 0.7 Hierro 10 2 4.64 2.04 52 2 20 0.7 Aluminio 5 2 5.09 2.05 133 2 10 0.7 Hierro 5 2 3.32 2.27 191 2 10 1.5 Hierro 10 2 5.72 2.06 109 2 20 1.5 Aluminio 5 6 5.84 2.04 146 2 10 0.7 Hierro 10 6 5.96 2.02 217 2 20 0.7 Aluminio 10 6 6.79 2.02 103 2 10 0.7 Aluminio 5 6 3.97 2.12 210 2 20 1.5 Hierro 5 2 4.88 2.07 138 2 20 1.5 Aluminio 10 2 5.75 2.06 73 2 10 1.5 Aluminio 5 2 4.05 2.07 257 2 10 1.5 Hierro 5 6 4.09 2.06 457 2 10 0.7 Aluminio 10 2 5.93 2.05 84 2 20 0.7 Hierro 5 6 6.20 2.04 196 2 10 1.5 Aluminio 10 6 4.59 2.03 212

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5.3 ANLISIS DEL DISEO DE EXPERIMENTOS

El anlisis de experimentos que se presenta a continuacin muestra el anova para cada variable respuesta, donde se observa el diagrama de paretto y con base en este la incidencia de los factores, asimismo se plantean cules son los efectos principales con la influencia individual que este realiza sobre la variable respuesta y se procede a graficar tales efectos uniendo los puntos correspondientes de la media de la variable respuesta en el nivel alto de cada factor y la media de la variable respuesta en el nivel bajo. Tambin se presentan los efectos de interaccin que permiten hacer una interpretacin de la dependencia de dos factores, es decir de como interacta un factor cuando el efecto de uno depende del nivel en el que se ubica el otro. Tanto los efectos principales como las interacciones muestran la influencia del efecto sobre la variables mas no la tendencia de sta sobre el fenmeno. Es importante aclarar que los modelos que aqu se presentan son estadsticos y hacen referencia a la regin experimental con la que se trabaja, por tanto no es aconsejable extrapolarlos ni considerarlos un modelo que explique la fenomenologa del proceso.

5.3.1 Anova de pH. El agua requerida en los procesos de la industria textil debe ser de calidad similar a la de agua potable [5], por lo tanto si se considera tratar los efluentes industriales con fines de reuso, el rango de pH del agua residual luego del tratamiento idealmente debe tener valores entre 6.5 y 9 segn el Decreto 475 de 1998 [65] si se requiere el cumplimiento de los parmetros de descarga de aguas residuales segn el Decreto 1594 de 1984, el agua debe tener valores de pH de 5 a 9 unidades. [63] Ambos objetivos pueden lograrse en el proceso de electrocoagulacin ya que como se observa los valores de pH de estos efluentes no se encuentran en estos rangos exigidos. Entonces el rango de pH esperado es entre 6 y 9 unidades de pH. - Anlisis de varianza. El anova divide la variabilidad en pH en distintos segmentos separados para cada uno de los efectos. Como se observa en la Tabla 25. en este caso seis de los efectos tienen valores de P-Value (significancia prefijada) menores que 0.05, lo que indica que el efecto del factor o de la interaccin es significativo y tiene importancia sobre el pH.

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Tabla 25. Anova para pH

Fuente Suma de Cuadrados

Grados de

libertad

Mean Square F-Ratio P-Value

A: Voltaje 8.