Diseño de Una Celda de Electrocoagulación
Transcript of Diseño de Una Celda de Electrocoagulación
7/25/2019 Diseño de Una Celda de Electrocoagulación
http://slidepdf.com/reader/full/diseno-de-una-celda-de-electrocoagulacion 1/10
Facultad de Ingeniería Química UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
DISEÑO DE UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIN
!ara el tratamient" de agua# re#iduale# de la indu#tria l$ctea
Re#umen
El sistema de electrocoagulación juega un papel muy importante en la
efectividad de remoción de contaminantes. Algunos aspectos de diseño a tener
en cuenta están relacionados con la celda, los electrodos, los materiales de
este, la geometría y la disposición de los electrodos son fundamentales para
que la aplicación de la electrocoagulación tenga resultados óptimos. Con base
en la caracteriación !sicoquímica de las aguas residuales de una industria
láctea, se diseñó un sistema de electrocoagulación para estudiar el
comportamiento de los diferentes parámetros involucrados en la remoción de
contaminantes. "a investigación permitió establecer la geometría tanto de la
celda como de los electrodos, materiales y tipo de cone#ión, adicionalmente
determinar los parámetros el$ctricos de la fuente de voltaje.
%& 'ateriale# ( m)t"d"#
%ara el diseño y construcción de la celda de electrocoagulación se utilió un
agua residual de una industria láctea. &e tomaron tres muestras del tanque de
'omogeniación de las aguas residuales de esta industria, se midieron el p(, la
conductividad, )*+ y grasas y aceites tal como se muestra en la abla -.
abla -. Características !sicoquímicas del agua residual
Estas características jugaron un papel funda mental durante el desarrollo de la
investigación ya que de $stas dependieron los parámetros de diseño del
sistema de electrocoagulación, dic'os parámetros fueron
/ )istancia entre electrodos.
/ &elección del electrodo de sacri!cio
/ Con!guración de la celda de electrocoagulación.
Ingeniería de Reactores Químicos II
7/25/2019 Diseño de Una Celda de Electrocoagulación
http://slidepdf.com/reader/full/diseno-de-una-celda-de-electrocoagulacion 2/10
Facultad de Ingeniería Química UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
/ %arámetros el$ctricos como voltaje y amperaje de la fuente.
/ )imensiones y n0mero de electrodos.
*& Re#ultad"# ( di#cu#i+n
*&% Determinaci+n de la di#tancia a,r",iada entre electrodos. )urante las
pruebas e#ploratorias se observó que para separaciones entre electrodos
inferiores a -1 mm los tratamientos se 'acen prolongados, adicionalmente se
presentaron atascamientos por deposición de lodo sobre la super!cie de los
electrodos, impidiendo la circulación del medio acuoso y la generación de
turbulencias que favorecen la coagulación dando como resultado bajas
remociones de )*+ como se muestra en la 2igura -.
%ara distancias entre electrodos mayores a -1 mm no se presentaron cambios
importantes en el proceso, en comparación con los resultados obtenidos a -1
mm. "o anterior sugiere que por aspectos t$cnicos la separación entre
electrodos que permite un proceso de electrocoagulación con buenas
remociones de )*+ y grasas y aceites es de -1 mm 32igura 45.
*&* Determinaci+n de l"# ni-ele# ,ara l"# .act"re# ,/, densidad de
corriente y tiempo.
)urante las pruebas e#ploratorias se probó electrodo de sacri!cio tanto de
'ierro como de aluminio, se varió el p( y la densidad de corriente para lascuales se midieron las remociones de )*+ y de grasas y aceites a 6, -1, -6 y
41 minutos.
"os resultados se presentan en la 2igura -, en la cual se observa que la
e!ciencia en la remoción incrementa con el aumento de la distancia entre
electrodos, el aumento de densidad de corriente y el tiempo.
"os resultados presentados en la ! gura 4 muestran que se pueden conseguir
e!ciencias altas en la remoción de )*+ a densidades de corriente inferiores a
las trabajadas en los tratamientos mostrados en la 2igura -, esto cuando se
disminuye el p(.
Analiando los tiempos del proceso de electrocoagulación, tanto de los
resultados presentados en la 2igura - como en la 4, se puede ver que entre los
-6 y los 41 minutos las pendientes de las curvas tienen una tendencia a
Ingeniería de Reactores Químicos II
7/25/2019 Diseño de Una Celda de Electrocoagulación
http://slidepdf.com/reader/full/diseno-de-una-celda-de-electrocoagulacion 3/10
Facultad de Ingeniería Química UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
disminuir, lo cual sugiere que los tratamientos tienen su mayor efectividad en
los primeros -6 minutos.
Figura %& 7emociones de )*+ para p( de 8,61, diferentes densidades de
corriente y distancias entre electrodos y electrodo de sacri!cio de 'ierro
Figura *& 7emoción )*+ para separación entre electrodos de -1 mm con
electrodo de sacri!cio de 'ierro
Ingeniería de Reactores Químicos II
7/25/2019 Diseño de Una Celda de Electrocoagulación
http://slidepdf.com/reader/full/diseno-de-una-celda-de-electrocoagulacion 4/10
Facultad de Ingeniería Química UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
"a 2igura 9 muestra los porcentajes de remoción de grasas y aceites a
densidades de corriente de 8:,;< y -4=,<9 A>m4 para distancias entre
electrodos 3d5 de 9, 6 y -1 mm y p( de 8,6.
Figura 0& 7emociones de grasas y aceites para p( de 8,61, diferentes
densidades de corriente y distancias entre electrodos y electrodo de sacri!cio
de 'ierro
Aunque el comportamiento de las diferentes curvas es disímil en comparación
al presentado por la remoción de )*+ mostrado en la 2igura -, se observa la
tendencia de un aumento del porcentaje de remoción con el aumento de la
densidad de corriente y de la distancia entre los electrodos.
Ingeniería de Reactores Químicos II
7/25/2019 Diseño de Una Celda de Electrocoagulación
http://slidepdf.com/reader/full/diseno-de-una-celda-de-electrocoagulacion 5/10
Facultad de Ingeniería Química UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
"as remociones tanto de grasas y aceites como las de )*+ obtenidas con
electrodo de 'ierro son altas y ante el 'ec'o que los costos del 'ierro son
menores al del aluminio se realió un sondeo realiando pruebas con electrodo
de sacri!cio de aluminio a las condiciones de densidad de corriente y p( para
las cuales se dieron las mejores remociones con electrodo de 'ierro y sólo
midiendo )*+ a los 41 minutos.
"os datos aparecen en la abla 4, en la cual se puede observar que las
remociones son menores para el proceso manteniendo electrodo de sacri!cio
de aluminio.
El análisis de los resultados obtenidos con estas variaciones, muestra que se
obtienen mejores remociones manteniendo electrodo de sacri!cio de 'ierro
3electrodo que se desgasta5 a p( bajos y adicionalmente con -6 minutos detratamiento son su!cientes.
*&0 Di#e1"2 c"n#trucci+n ( m"nta3e del #i#tema de electr"c"agulaci+n&
El sistema 32otografía -5 opera como reactor batc' a escala prototipo, con
capacidad para tratar dos litros de aguas residuales.
Consta de una celda electrolítica de dos litros en la cual están sumergidos los
electrodos, estos electrodos son placas rectangulares metálicas de 'ierro y
aluminio dispuestas en paralelo y conectadas a una fuente de voltaje de
corriente directa que proporciona la corriente el$ctrica requerida para la
electrocoagulación.
"a fuente de voltaje posee controles de corriente y voltaje regulables e
independientes.
abla 4. ?alores de los porcentajes de remoción de )*+ utiliando electrodo de
sacri!cio tanto de aluminio como de 'ierro y medidos a 41 minutos
Ingeniería de Reactores Químicos II
7/25/2019 Diseño de Una Celda de Electrocoagulación
http://slidepdf.com/reader/full/diseno-de-una-celda-de-electrocoagulacion 6/10
Facultad de Ingeniería Química UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
2otografía -. @ontaje del sistema para electrocoagulación
"a celda reposa sobre una placa de agitación magn$tica con la !nalidad de
proporcionar agitación al agua residual. Como instrumentos complementarios
están el termómetro para 'acer seguimiento a la temperatura durante el
proceso y el cronómetro.
*&4 Celda de electr"c"agulaci+n& "a celda para electrocoagulación se
diseñó considerando una distribución volum$trica que contempla tres regiones
una región superior para el depósito de los lodos de otación o lodos menos
densos y las espumas, llamada ona de otación, una región media de
reacciones electroquímicas, llamada ona de reacción en donde se encuentran
los electrodos y una región inferior, llamada ona de sedimentación dónde se
depositan los lodos de precipitación o lodos más densos.
Esto se puede observar en la 2igura ;.
Figura 4& )imensiones de la celda para electrocoagulación
Ingeniería de Reactores Químicos II
7/25/2019 Diseño de Una Celda de Electrocoagulación
http://slidepdf.com/reader/full/diseno-de-una-celda-de-electrocoagulacion 7/10
Facultad de Ingeniería Química UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
"a ona de otación y la de sedimentación equivalen cada una a B del
volumen total de la celda 34.< l5, y la ona de reacción equivale a 4>; partes. "a
celda fue provista de una compuerta para evacuar la espuma producida por las
burbujas de 'idrógeno generado en las reacciones electrolíticas, además de
dos llaves para tomar las muestras a ser analiadas, una de esas llaves está
ubicada en la ona de reacciones y la otra en la ona de sedimentación.
En las 2iguras 6 y : se muestran los detalles de la compuerta para espumas y
la ubicación de los ori!cios para la toma de las muestras y !nalmente en la
2otografía 4 se observa la celda terminada.
Figura 5& )etalle cara toma de muestras y evacuación de lodos
Figura 6& ?ista superior del sistema de evacuación de lodos
Ingeniería de Reactores Químicos II
7/25/2019 Diseño de Una Celda de Electrocoagulación
http://slidepdf.com/reader/full/diseno-de-una-celda-de-electrocoagulacion 8/10
Facultad de Ingeniería Química UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
*&4 Selecci+n del material de l"# electr"d"#, n0mero de electrodos y
dimensiones. &e probaron electrodos de 'ierro y aluminio por las siguientes
raones
/ )isponibilidad de los metales.
/ &on materiales relativamente baratos.
/ Amplia información bibliográ!ca en la que se reportan buenas remociones de
contaminantes con estos materiales en la electrocoagulación, adicionalmente
son los metales más utiliados en el proceso 3obya, 4119 y C'en, 41145.
"os electrodos se diseñaron como placas rectangulares dispuestas en serie.
Comercialmente estos metales se encuentran disponibles como láminas de 9
mm de espesor. &e estableció una distancia de 4 cm entre el arreglo de placas
y cada una de las caras laterales de la celda, para permitir de esta forma el
ujo del agua residual durante la electrólisis. Dna distancia de -.46 cm entre la
cara frontal y los electrodos, igualmente -.46 cm entre estos y la cara posterior
de la celda.
El n0mero de electrodos se determinó suponiendo una separación má#ima
entre electrodos de -; mm más 9 mm del espesor de cada placa, de acuerdo a
la siguiente e#presión
Entonces
)e esta forma se tienen tres placas de un metal conectadas al ánodo y las
otras tres placas del otro metal conectadas al cátodo, todo esto formando un
arreglo intercalado y en paralelo de electrodos como se puede observar en la
Ingeniería de Reactores Químicos II
7/25/2019 Diseño de Una Celda de Electrocoagulación
http://slidepdf.com/reader/full/diseno-de-una-celda-de-electrocoagulacion 9/10
Facultad de Ingeniería Química UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
2otografía 9. Adicionalmente los electrodos deben tener una altura igual a la
altura de la ona de reacción en la celda, esto es = cm.
2otografía 9. )isposición de los electrodos en la celda
*&5 Fuente de -"lta3e& %ara el diseño de la fuente se establecieron los rangos
de corriente el$ctrica y voltaje de trabajo con base en una densidad de
corriente de 61 a--1 A>m4 rango promedio reportado en la bibliografía con
buenos resultados en la remociones de contaminantes, adicionalmente
teniendo en cuenta la conductividad de las aguas residuales a tratar y de
acuerdo con las características !sicoquímicas del muestreo preliminar 3abla -5
y con la ayuda de la Ecuación 3-5, que permite realiar un estimativo de estos
parámetros el$ctricos. Así se llegó a los resultados mostrados en la abla 9.
El voltaje total requerido en la celda de electrocoagulación se calculó de
acuerdo a la forma de cone#ión de los electrodos, de forma bipolar, en la cual
el voltaje total que entrega la fuente se calcula.
En el caso de la cone#ión mono polar el voltaje total será igual al voltaje entre
los electrodos 3Do5. En el caso de la cone#ión bipolar el voltaje se calcula como3C'en, 41145
D 3F G -5 Do HHHHHHHHH. (Ecuación 1)
Con
Do voltaje entre los electrodos
Ingeniería de Reactores Químicos II
7/25/2019 Diseño de Una Celda de Electrocoagulación
http://slidepdf.com/reader/full/diseno-de-una-celda-de-electrocoagulacion 10/10
Facultad de Ingeniería Química UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
F n0mero de electrodos.
D voltaje total.
Con estos valores como pará metros mínimos requeridos en la
e#perimentación, se construyó una fuente con corriente má#ima de 46 A yvoltaje de -: ?. +bteniendo de esta manera, un equipo con mayor posibilidad
de movilidad por rangos más amplios de voltaje y amperaje.
"a fuente tiene dos controles, uno para variar el voltaje y otro para variar la
corriente el$ctrica, la medición de la corriente el$ctrica se realia con un
amperímetro digital cuya escala es de 1.- A y el voltaje se mide en un
voltímetro digital con escala de 1.-?, todo el equipo tiene cone#ión a --1 ? ac
monofásico.
abla 9. ?alores estimados para los parámetros el$ctricos de la fuente de
voltaje
C"nclu#i+n
El sistema de electrocoagulación que permitirá el estudio del comportamiento
de las aguas residuales de la industria láctea está conformado por una fuente
de voltaje que entrega una corriente el$ctrica de 46 A al medio acuoso, una
celda con capacidad para contener dos litros de agua residual que contempla
tres onas reacciones electroquímicas, sedimentación y otación y seis
electrodos tres de 'ierro y tres de aluminio dispuestos en forma alternada y
cone#ión en paralelo y separados por -1 mm.
Ingeniería de Reactores Químicos II