XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002

DISEÑO DE UN EQUIPO DE ELECTROCOAGULACIÓN PARA LA ELIMINACIÓN DE FLÚOR EN AGUA SUBTERRÁNEA Manuel Piñón Miramontes * Junta Municipal de Aguas y Saneamiento de Chihuahua (JMAS) Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma de Chihuahua (UACH), Maestría en Ingeniería de Recursos Hidráulicos en la Universidad Autónoma de Chihuahua (UACH), Candidato a Doctor en la especialidad de Ciencia y Tecnología Ambiental en el Centro de Investigación en Materiales Avanzados S.C. (CIMAV) Áreas de interés: diseño y construción de equipos para eliminar contaminantes en agua potable y residual. Antonino Pérez Hernández Centro de Investigación de Materiales Avanzados S.C. (CIMAV) Miguel de Cervantes # 120 C.P. 31109 Chihuahua, Chih. México antonino.pé[email protected] Raúl Bautista Margulis Universidad Juárez Autónoma de Tabasco (UJAT) Carretera Villahermosa-Cárdenas Entronque con Bosques de Saloya C.P. 86150, Villahermosa, Tabasco, México [email protected] Bonifacio Díaz Guerrero Sierra S. DE R.L MI. Heroico Colegio Militar #243-3. Col. Nombre de Dios Chihuahua, Chih. México [email protected] Dirección*: Junta Municipal de Aguas y Saneamiento de Chihuahua (JMAS) Periférico Ortiz Mena y Politécnico Nacional S/N, Quintas del Sol C.P. 31250 Chihuahua, Chih. México Tel.: (614) 430-0199 Fax: (614) 430-0775. e-mail: [email protected] RESUMEN Se realizaron pruebas de disminución de flúor en un pozo de la ciudad de Chihuahua utilizando el proceso de electrocoagulación. Esta fuente de suministro de agua potable tiene concentración de flúor de 2.4 mg/L; la cuál excede el nivel máximo permitido. La Norma Oficial Mexicana (NOM-127-SSA1-1994) menciona que la máxima concentración para el flúor es de 1.5 mg/L. Una planta piloto fue diseñada, la cual esta compuesta por: unidad de electrocoagulación que utiliza placas de aluminio, un sedimentador de placas inclinadas, filtro prensa, bomba y accesorios para tratar un caudal de 6 LPM. Diferentes pruebas se realizaron con el equipo de electrocoagulación obteniéndose hasta un 97% en la reducción de flúor del agua de pozo en estudio. Palabras Clave : flúor, agua subterránea, electrocoagulación INTRODUCCIÓN En la ciudad de Chihuahua existen fuentes de suministro de agua potable con concentraciones de flúor que excede el nivel máximo permitido. La Norma Oficial Mexicana (NOM-127-SSA1-1994) menciona que la máxima concentración para el flúor es de 1.5 mg/L. La mayoría del agua potable que se suministra a la ciudad de Chihuahua es agua subterránea la cual es dependiente de los estratos litológicos. El agua que se extrae para consumo humano del subsuelo es alrededor de 3440 LPS, mientras que el agua superficial que se potabiliza varía dependiendo la temporada del año y si hay disposición de ella; actualmente se potabilizan 100 LPS. Investigaciones realizadas han demostrado que la presencia de flúor en agua subterránea provoca: dientes coloreados, veteados y fluorosis ósea (Seppa et al., 1998) El Flúor (F), número atómico 9 y peso atómico 19.0, es un elemento no metálico. El flúor es el primer miembro del grupo VII del sistema periódico por lo que tiene la valencia de –1. Desde el punto de vista químico es sumamente activo, no se presenta en estado libre en la naturaleza, sino en combinación en la superficie de la tierra. Es relativamente abundante, aunque no se encuentra en la naturaleza en estado elemental. Se encuentra en la corteza en un 0.0585% en peso. Los minerales de flúor más importantes son fluorita o espato flúor, criolita (Na3AlF6), apatito,

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topacio [Na5(Al3F14)]. Los fosfatos contienen como impurezas grandes cantidades de fluoroapatito [Ca5(PO4)3F] (Diesendorf et al., 1997; Sienko et al.,1965). A través del tiempo se han utilizado distintos métodos de tratamiento para la disminución la presencia de flúor en agua subterránea tales como: precipitación química, intercambio iónico, adsorción utilizando alúmina activada, ósmosis inversa, así como electrocoagulación. Este último es el objeto de nuestra investigación. La electrocoagulación utiliza una corriente eléctrica a través de electrodos (fierro, aluminio o cadmio) produciendo iones positivos. Estos iones nulifican las cargas iónicas presentes en los contaminantes. Una vez neutralizadas las cargas iónicas, se obtienen compuestos eléctricamente estables que, obedeciendo a las fuerzas de Van der Waals, comienzan a atraerse entre sí. Esto genera partículas cada vez más grandes que, por diferencia de densidades tienden a flotar o por gravedad se precipitan, haciendo posible su remoción por precipitación y/o filtrado. METODOLOGÍA Las pruebas de disminución de flúor se realizaron en una fuente de suministro de la ciudad de Chihuahua localizado en la mancha urbana. La concentración de flúor presente en este pozo fue de 2.4 mg/L. Se construyó una caseta con el objeto donde de alojar el equipo de electrocoagulación, el cual tiene la capacidad de tratar 8 LPM de agua subterránea. El equipo de electrocoagulación consta de: un tanque reactor donde se localizan las placas de aluminio, la fuente de poder que tiene una capacidad de 0-12 V y 0 - 500 Amperes, sedimentador de placas inclinadas y filtro prensa. Ver figuras 1 y 2. Las placas de aluminio que se utilizaron tienen una concentración de aluminio de alrededor de 99.5% y las dimensiones de cada placa es de 18 cm X 30 cm siendo 16 placas las que se instaló en el tanque reactor. La distancia entre cada placa es de 2 cm. Para la determinación de flúor se utiliza un medidor ISE/PH marca Orion Modelo 720 y un electrodo de ion selectivo marca Orion. En este método se lleva a cabo un control de calidad en cada lote de muestras (SM-4500-F C-1998) (Greenberg et al., 1998). ACTIVIDADES DESARROLLADAS Diseño y construcción de un equipo de electrocoagulación Desarrollo de pruebas para la disminución de flúor en agua subterránea. Disminución de flúor hasta un 97% de su concentración inicial.

Figura 1: Diagrama de bloques del sistema de electrocoagulación.

2

Figura 2: Planta piloto de electrocoagulación para disminuir flúor de agua subterránea.

RESULTADOS Los resultados experimentales revelan que la concentración de flúor de 2.4 mg/L se disminuyó hasta una concentración de 0.07 mg/L teniendo una eficiencia de remoción de hasta 97% utilizando placas de aluminio como electrodos de sacrificio. En la Tabla 1 se observa que la concentración de flúor disminuyó de 2.4 a 0.7 mg/L, mientras que los parámetros de conductividad, turbiedad, sulfatos, pH, aluminio, dureza total y alcalinidad total no tuvieron un aumento significativo, que pudiera afectar la calidad del agua, lo que indica que el proceso de electrocoagulación es un proceso confiable. Los experimentos realizados durante la disminución de flúor se utilizaron diferentes densidades de corrientes con el objeto de observar el comportamiento de la disminución de la concentración del flúor. Distintas densidades de corrientes se utilizaron tales como: 2.51, 3.42, 4.1 y 5.78 mA/cm2 con un potencial eléctrico de 6 a 8 V, siendo la de 5.78 la que alcanzó disminuir el flúor hasta un 97%. Ver Tabla 2 y Figura 3.

El pH que se recomienda debe ser menor de 8 y mayor de 6.5, la temperatura del agua puede ser entre 20 y 25 oC para así obtener una mayor eficiencia en la disminución de flúor, este tipo de proceso produce una menor cantidad de lodos ya que no sé esta adicionando una dosis de reactivo químico si no que sé esta produciendo en el lugar complejos de hidroxialuminio los cuales reaccionan con el flúor para producir complejos de hidroxifloruro de aluminio los cuales son factibles de precipitarse. El mecanismo que se ha propuesto consiste en que el ánodo de aluminio se disuelve para formar Al+3 ; a un pH apropiado en primera instancia se forma el hidróxido de aluminio Al(OH)3 para finalmente polimerizarse a Aln(OH)3n, este último compuesto tiene una gran afinidad con el flúor para así formar los complejos de hidrofluoruro de aluminio (Ming et al.,1983). Al

Al +3 + 3e-

(1)

Al+3 + 3H20

Al(OH)3 + 3H+

(2)

nAl(OH)3

Aln(OH)3n

(3)

Por otra parte se ha mencionado que la producción de aluminio por medio de un proceso electroquímico forma una mezcla de hidroxifluoruro de aluminio durante la eliminación de flúor en agua residual en una empresa que elaboran semiconductores. El agua es hidrolizada y se forma gas hidrógeno, iones de hidróxido y aluminio; los cuales intervienen en la precipitación del flúor (Cook et al., 1990).

3

Alo + Energía Eléctrica 2H2O

+

2Alo +

6H20

Al +3 + 3e-

2e3H2 +

Reacción en el Ánodo (4)

H2 + 2OH-

Reacción del Cátodo

(5)

2Al(OH)3

Reacción General

(6)

Escoger la fuente de poder de conmutación a alta frecuencia mínimo 50,000 ciclos de conmutación. Esta tecnología es superior a las fuentes de control SCR (tradicionales para esta potencia) porque funciona a 50,000 a 100,000 ciclos contra 60 ciclos (SCR), permite un mejor control de la fuente y hace posible por medio de un controlador en proporcionar energía en pulsos controlados. En nuestro caso estos pulsos van a tener un rango de 5 Hertz a 5000 Hertz. Esta variable adicional de energía pulsante, permite investigar y lograr un mejor control en los procesos electroquímicos. La tecnología de conmutación permite una reducción importante de tamaño y peso. Para el caso de la fuente que se menciona; el peso se disminuyó de 200 a 40 kilos, facilitando su instalación y mantenimiento sin requerir montacargas o grúa para esto. La fuente conmutada tiene una gran eficiencia alrededor de un 80% (estimado en un 88%) y su factor de potencia estimado es mayor al 95%. Este factor de potencia, reduce el costo de la energía. TABLA 1: Composición química del Pozo antes y después de tratarse en el equipo de electrocoagulación Parámetro Antes Después Norma Mexicana Fluoride (mg/L) 2.4 0.07 1.5 Aluminio (mg/L) 0.048 0.052 0.2 566 580 Conductividad (µmho/cm) Turbiedad (ntu) 1.1 1.2 5.0 Sulfatos (mg/L) 76.54 79.6 400 Alcalinidad Total (mg/L) 160.82 164.9 Dureza Total (mg/L) 140.70 153.4 500.0 pH 7.36 7.42 6.5-8.5

TABLA 2: Densidades de corrientes utilizadas durante la disminución de flúor. Densidad de Corriente Concentración de Flúor mA/cm2 mg/L 2.51 1.51 3.42 0.90 4.43 0.30 5.78 0.07

4

Conc. de Flúor (mg/L)

3 2.5

Fluoride Concentration mg/L

2 1.5 1 0.5 0 0

2

4

6

8 2

Densidad de Corriente (mA/cm ) Figura 3: Disminución de flúor variando la densidad de corriente. Q= 8 LPM

CONCLUSIONES El sistema de electrocoagulación permite la no-adición de coagulantes químicos. El sistema de electrocoagulación permite disminuir la presencia de flúor hasta un 97%. Así también no necesita coagulantes químicos, se produce pocos lodos. Requiere poco mantenimiento y los costos de operación son bajos con respecto a un sistema de precipitación química tradicional. Puede tratar varios contaminantes y supervisión es mínima. RECOMENDACIONES Se debe diseñar y construir un equipo de electrocoagulación de mayor capacidad para realizar pruebas de disminución de flúor en agua subterránea y así tener una idea más clara de su funcionamiento cuando trate volúmenes mayores, ya que los pozos que cuenta la ciudad tiene capacidades mayores de 30 LPS. Se recomienda que el tratamiento sea por módulos. Agradecimientos. – Los autores agradecen al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (SIVILLA Proyecto 20000406014) y a la Junta Municipal de Aguas y Saneamiento de Chihuahua (JMAS) por el financiamiento del presente trabajo. Así también el autor desea reconocer el apoyo incondicional de los Ingenieros Miguel García Del Val y Marco A. Velazco B. durante el desarrollo de la investigación. BIBLIOGRAFÍA Cook S.L. and Uhrich K.D. (1990) Electrochemical fluoride removal in semiconductor wastewater. 44th Purdue Industrial Waste Conference Proceedings. 373-383. Diesendorf M. Colquhoun J. Spittle, B. Everingham D., and Clutterbuck F. (1997) New evidence of fluoridation. Fluoride 30, 179-185.

Greenberg, A.E. Clesceri, L.S., and Eaton, A.D. (1998) Standards Methods for the Examination of Water and Wastewater. Editores APHA, AWWA, and WPCF, Washington, D.C. Ming L. Sunrui Y. Zhangium H. Bina Y. Wel L. Liu P. and Kefichero F. (1983) Elimination of excess fluoride in potable water with coarcervation by electrolysis using aluminum anode. Fluoride 20, 54-63. Seppa L. Karkkainen H. and Hausen, H. (1998) Caries frequency in permanent teeth before and after discontinuation of water fluoridation in Kuopio, Finland. Community Dent Oral Epidemiol 26, 256-262. Sienko MJ. Plane RA and Hester RE. (1965) Inorganic Chemistry. en The Halogens. editores W.A. Benjamin INC, New York, 154-168

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