ESTUDIO DE LA FACTIBILIDAD DE UN SISTEMA DE ELECTROCOAGULACIÓN PARA TRATAMIENTO DE AGUAS PROCEDENTES DE LAVANDERÍAS INDUSTRIALES CON FINES DE REUSO
ADRIANA ARISTIZÁBAL CASTRILLÓN
[email protected] MARÍA CATALINA BERMÚDEZ AGUDELO
[email protected]
Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Químico
Director JOSÉ ADRIÁN RIOS ARANGO Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA ESCUELA DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA MEDELLÍN 2007
CONTENIDO Pág.
INTRODUCCIÓN
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 CLASIFICACIÓN DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES
28
2.2 MÉTODOS ELECTROQUÍMICOS DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
31
3. LA ELECTROCOAGULACIÓN
33
3.1 POTENCIAL EN UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIÓN
35
3.2 TIPOS DE REACTORES PARA ELECTROCOAGULACIÓN
37
3.3 DISEÑO DE UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIÓN
38
Pág.
3.4
VENTAJAS Y DESVENTAJAS ELECTROCOAGULACIÓN.
DEL
PROCESO
DE
39
3.5 APLICACIONES DE LA ELECTROCOAGULACIÓN
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 CARACTERÍSTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA TEXTIL
50
4.4.1 Aguas residuales de los procesos de teñido.
53
4.5
TRATAMIENTOS PARA ELECTROCOAGULACIÓN
LAS
ARI
TEXTILES
POR
53
4.6 REUSO DE EFLUENTES DE LA INDUSTRIA TEXTIL
56
5. DISEÑO DE EXPERIMENTOS
57
5.1 DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS
57
5.2 MATERIALES Y MÉTODOS
58
Pág.
5.3 ANÁLISIS DEL DISEÑO 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 OPTIMIZACIÓN MULTIRESPUESTA
90
5.4.1 Región experimental.
90
5.4.2 Óptimos individuales.
90
5.4.3 Análisis previo a la optimización múltiple.
91
5.4.4 Optimización múltiple.
92
5.5 ANÁLISIS DE RESULTADOS
93
5.5.1 Ensayo de verificación.
93
5.5.2 Ensayo de óptimos con hierro.
101
6. ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD TÉCNICO - ECONÓMICA
104
6.1 OPTIMIZACIÓN DEL CONSUMO DE AGUA MEDIANTE REUSO
104
Pág.
6.2 ANÁLISIS PRELIMINAR DE COSTOS GENERALES
109
6.2.1 Análisis de casos.
111
6.2.2 Ahorro a favor de la compañía.
113
7. CONCLUSIONES
115
8. RECOMENDACIONES
117
BIBLIOGRAFÍA
118
ANEXOS
126
LISTA DE FIGURAS Pág.
Figura 1. Clasificación de sistemas de reactores de electrocoagulación.
37
Figura 2. Diagrama esquemático de una celda de electrocoagulación de dos electrodos.
39
Figura 3. Acabado textil y carga contaminante.
49
Figura 4. Diagrama esquemático del montaje experimental.
59
Figura 5. Modelo de reactor de electrocoagulación 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 Pág.
Foto 1. Montaje experimental.
60
Foto 2. Comparativo de remoción 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 electrocoagulación de aguas residuales de la industria textil.
97
Foto 5. Agua tratada en ensayo de verificación empleando ánodos de hierro.
103
LISTA DE GRÁFICAS Pág.
Gráfica 1. Distribución de la cantidad total de agua en la superficie terrestre.
23
Gráfica 2. Distribución del agua dulce total en la tierra.
23
Gráfica 3. Consumo del agua dulce disponible.
23
Gráfica 4. Distribución del consumo de agua en la industria textil.
50
Gráfica 5. Diagrama de Pareto Estandarizado para Ph.
64
Gráfica 6. Efecto A para Ph.
66
Gráfica 7. Efecto D para Ph.
66
Gráfica 8. Efecto E para Ph.
67
Gráfica 9. Interacción AD para Ph.
67
Gráfica 10. Interacción AE para Ph.
68
Gráfica 11. Interacción CE para Ph.
68
Gráfica 12. Efecto B para Ph.
69
Gráfica 13. Efecto C para Ph.
69
Gráfica 14. Diagrama de efectos principales para Ph.
70
Gráfica 15. Diagrama de interacciones principales para Ph.
70
Gráfica 16. Verificación de supuestos para Ph.
72
Gráfica 17. Diagrama de pareto estandarizado para conductividad.
74
Gráfica 18. Efecto A para conductividad.
75
Gráfica 19. Efecto D para conductividad.
76
29
Pág.
Gráfica 20. Efecto E para conductividad.
76
Gráfica 21. Interacción AC para conductividad.
77
Gráfica 22. Efecto C para conductividad.
77
Gráfica 23. Interacción CE para conductividad.
78
Gráfica 24. Interacción AD para conductividad.
79
Gráfica 25. Interacción CD para conductividad.
79
Gráfica 26. Efecto B para conductividad.
80
Gráfica 27. Diagrama de efectos principales para conductividad
80
Gráfica 28. Interacciones principales para la conductividad
81
Gráfica 29. Verificación de supuestos para conductividad.
82
Gráfica 30. Diagrama de pareto estandarizado para turbiedad.
84
Gráfica 31. Efecto de A para la turbiedad.
86
Gráfica 32. Efecto E para la turbiedad.
86
Gráfica 33. Efecto D para turbiedad.
86
Gráfica 34. Efecto B para turbiedad.
87
Gráfica 35. Efecto C para turbiedad.
87
Gráfica 36. Interacción CE para turbiedad.
87
Gráfica 37. Interacción AD para turbiedad.
88
Gráfica 38. Interacción AB para turbiedad.
89
Gráfica 39. Verificación de supuestos para turbiedad.
90
30
LISTA DE TABLAS Pág.
Tabla 1. Clasificación de los parámetros indicadores de la calidad del agua.
25
Tabla 2. Componentes químicos típicos que pueden encontrarse en el agua residual y sus efectos.
26
Tabla 3. Operaciones o procesos unitarios según 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 mayoría de los contaminantes presentes en el agua residual.
31
Tabla 6. Ventajas de proceso de electrocoagulación.
40
Tabla 7. Soluciones a las dificultades operativas de un sistema de electrocoagulación
41
Tabla
en
43
Tabla 9. Efectos de algunas de las variables respuestas sobre el proceso de electrocoagulación.
44
Tabla 10. Distribución de los tejedores en el país.
46
Tabla 11. Distribución de otros textileros en el país.
46
Tabla 12. Telares instalados en tejeduría.
47
Tablas 13. Telares instalados en confección tejida y maquinaria de hiladura.
47
Tabla 14. Distribución de la capacidad de producción en millones m2
47
8.
Efectos de algunos electrocoagulación.
factores
31
controlables
Pág.
Tabla 15. Principales Tejedores de tela del país.
48
Tabla 16. Clasificación 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 electrocoagulación en ARI textiles.
54
Tabla 19. Efectos de algunas de las variables respuestas en electrocoagulación.
55
Tabla 20. Información de los factores controlables del diseño de experimentos.
58
Tabla 21. Información básica de las variables respuestas estudiadas.
58
Tabla 22. Caracterización del ARI empleada en los experimentos.
58
Tabla 23. Resultados experimentales de la primera réplica.
61
Tabla 24. Resultados experimentales de la segunda réplica.
62
Tabla 25. Anova para pH
64
Tabla 26. Coeficientes estimados de regresión del modelo matemático de pH.
65
Tabla 27. Valores óptimos de los factores controlables para maximizar pH.
71
Tabla 28. Anova para conductividad.
73
Tabla 29. Coeficientes estimados de regresión del modelo matemático de conductividad.
74
Tabla 30. Valores óptimos de los factores para conductividad.
81
Tabla 31. Anova para la turbiedad.
84
Tabla 32. Coeficientes estimados de regresión del modelo matemático de turbiedad.
85
32
Pág.
Tabla 33. Valores óptimos de los factores controlables para maximizar pH.
89
Tabla 34. Rango de las variables respuesta.
90
Tabla 35. Predicciones de los valores óptimos individuales de las variables respuesta.
91
Tabla 36. Factores para cada uno de los óptimos individuales.
91
Tabla 37. Peso e impacto de las variables respuesta.
92
Tabla 38. Valores óptimos de los factores controlables.
92
Tabla 39. Predicción de las variables respuesta.
93
Tabla 40. Características principales del ARI empleada en el ensayo de verificación.
93
Tabla 41. Caracterización del efluente modificado.
94
Tabla 42. Características del agua tratada en el ensayo de verificación.
95
Tabla 43. Porcentajes de remoción de los diferentes parámetros obtenidos en el ensayo de verificación.
98
Tabla 44. Predicción de porcentajes de remoción óptimos.
100
Tabla 45. Caracterización de agua residual de ensayo con placas de hierro.
101
Tabla 46. Caracterización de agua tratada de ensayo de verificación empleando hierro.
102
Tabla 47. Porcentaje de remoción de parámetros en el ensayo de verificación empleando ánodos de hierro.
102
Tabla 48. Balances de conductividad para el caso 2
107
Tabla 49. Datos económicos usados para el análisis preliminar de costos
110
33
Pág.
Tabla 50. Tabla de amortización del crédito
112
Tabla 51. Datos de costos para cálculos de ahorro
113
34
LISTA DE ANEXOS Pág.
ANEXO A. Caracterización fisicoquímica del efluente industrial sin tratar empleado en el ensayo de verificación.
126
ANEXO B. Caracterización fisicoquímica del efluente industrial tratado empleado en el ensayo de verificación.
129
ANEXO C. Caracterización fisicoquímica del efluente industrial sin tratar del ensayo de óptimos en el cual se emplearon placas de hierro.
132
ANEXO D. Caracterización fisicoquímica del efluente industrial tratado del ensayo de óptimos en el cual se emplearon placas de hierro.
135
ANEXO E. Caracterización de agua potable de acueducto Empresas Públicas de Medellín, 1 de Enero de 2007.
139
ANEXO F. Hoja de cálculo de análisis técnico- económico.
142
ANEXO G. Apartes del anteproyecto presentado a la facultad
148
35
RESUMEN
En este proyecto se realizó un estudio de la factibilidad de un sistema de electrocoagulación para tratamiento de aguas residuales procedentes de lavanderías industriales con fines de reuso, lo anterior mediante la evaluación y optimización de las variables claves en un proceso de electrocoagulación.
Con base en el diseño de experimentos y en el ensayo de verificación realizados se determinó que los valores de los factores óptimos para tratar por electrocoagulación agua residual de lavandería 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 retención. Además que los factores de mayor incidencia en el proceso de electrocoagulación son voltaje, tiempo de retención y número de placas., y las interacciones que son significativas estadísticamente son voltaje-tiempo de retención, voltaje-número de placas, material del ánodo-número de placas, voltajematerial del ánodo y voltaje-distancia entre placas.
Asimismo se estableció que el agua tratada mediante la electrocoagulación es apta para reuso ya que se verificó que existió un cambio en las características del agua que mejoró su calidad. Según el estudio de factibilidad se estableció que la implementación de un reactor electrocoagulador es viable técnica y económicamente para el caso analizado en este proyecto.
36
INTRODUCCIÓN
La industria textil utiliza el 15% del agua que consume la industria a nivel mundial, es decir 30 mil millones de m3, convirtiéndose en uno de los mayores consumidores del agua total disponible y en una de las industrias que aporta mayor carga contaminante vertiéndola como desecho. [24] La industria colombiana de textiles y confecciones es una de las más grandes y experimentadas de América Latina con la aplicación de tecnología de punta de procesos de producción [73], que incluyen actividades como la producción agrícola, la comercialización de fibras naturales y sintéticas, el teñido y la estampación, la confección y la comercialización del producto terminado. [5] La cadena textil-confección concentra el 12.1% de la producción industrial de Colombia, cerca del 6% de las exportaciones totales ubicándola en el tercer producto de exportación industrial contando con una de las más altas tasas de apertura exportadora de la industria nacional y el 13.3% de las ventas de productos no tradicionales del país. [73] Entre tanto, el sector textil que viene abriéndose a los mercados nacionales e internacionales es cada vez más competitivo y se ve obligado a optimizar sus procesos para mantenerse al ritmo que impone el modelo económico [5], presentando opciones de mejoramiento en calidad ambiental y rentabilidad para la compañía. En la actualidad la industria textil ha empleado los métodos convencionales de tratamiento de aguas residuales como son los químicos, físicos y biológicos, ó una combinación de ellos, los cuales están limitados por bajos rangos de concentración y en algunos casos pueden tener altos costos. [8] Por lo general los costos son la variable que más influencia tiene en la selección del tratamiento a realizar, seguido de la importancia de reutilizar los recursos presentando así un beneficio económico y ambiental no solo para la compañía sino también 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 métodos electroquímicos como la electroflotación, electrodecantación y la electrocoagulación. Estos métodos son viables porque su sistema emplea electrones para realizar el tratamiento mientras que otros usan reactivos químicos y microorganismos, lo que los hace más costosos y en ocasiones más demorados. [41, 66] Entre las ventajas de los métodos electroquímicos se encuentran los beneficios ambientales, de compatibilidad, versatilidad, eficiencia de energía, seguridad, selectividad, facilidad de automatización del proceso y bajos costos. [66]
37
De todas las técnicas electroquímicas conocidas se tiene mayor interés en emplear la electrocoagulación como método de tratamiento de aguas residuales [66], método 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], también para tratar aguas que contengan arsénico [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 poliméricos [22], partículas suspendidas [43], suspensiones acuosas de partículas ultrafinas [37], nitrato [58], residuos fenólicos [25], fósforo [45], flúor [18, 10, 50], entre otros. Dado a lo anterior y a que Medellín es una de las ciudades con mayor capacidad de producción textil [67], además el gobierno colombiano ha venido apoyando la construcción de salidas que permitan un equilibrio en armonía con los recursos naturales y el entorno social [64], madurar nuevas técnicas de tratamiento como la electrocoagulación, que se compromete con la protección ambiental y el desarrollo sostenible son de suma importancia. Por lo tanto se ha seleccionado éste método para materializar en el presente proyecto de grado. Con miras a ampliar el conocimiento acerca de la electrocoagulación, método que ofrece a la industria textil una oportunidad económica y eficiente de tratamiento de las aguas residuales en comparación con los métodos convencionales, se planteó esta investigación que tiene como objetivo general determinar la factibilidad de la implementación del tratamiento de electrocoagulación para obtener agua de reuso proveniente de lavanderías industriales como estrategia para disminuir costos de producción y cumplir con los requerimientos ambientales de vertimiento y así mismo para contrarrestar la contaminación ambiental producida en el proceso industrial y mejorar la calidad de vida. A continuación se presenta un proyecto de grado mediante el cual se desarrollaron los objetivos específicos planteados en el anteproyecto ...Ver Anexo G... donde se determina la influencia de los principales factores controlables en el proceso de electrocoagulación de aguas residuales procedentes de lavanderías industriales y la interacciones entre los principales factores, teniendo como punto de partida la fase experimental en la que se realiza un diseño de experimentos de manera que se aprecie la influencia sobre las variables respuesta escogidas, posteriormente se realiza una interpretación de resultados obteniéndose los valores óptimos de trabajo de los factores evaluados y finalmente se realizará una optimización de agua mediante el reuso y una evaluación preliminar de costos.
46
1. EL AGUA
1.1 GENERALIDADES
El agua es un componente químico muy abundante en la biosfera y quizá el más 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 provisión mundial de agua se encuentra en los océanos y el 2.6% restante es agua dulce que es un recurso renovable limitado, del cual solamente esta disponible el 0.6% (lagos, subterránea, atmósfera y ríos) es decir 2850 mil millones de m3, como se ilustra a en las Gráficas 1. y 2. [24] En la Gráfica 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 provisión de agua dulce está limitado por la rapidez con la que el agua circula por el ciclo hidrológico. El tiempo para reemplazar el agua varía aproximadamente dos semanas en la atmósfera hasta diez o cien años en los lagos según la profundidad. Actualmente en regiones como Australia, el Norte de México, varias naciones del Medio Oriente y el suroeste de los Estados Unidos, donde la población urbana es relativamente densa y llueve poco se presenta escasez de agua y además en estas regiones se extrae mayor cantidad de agua que la que repone la precipitación pluvial, esto sumado a la provisión de agua en abundancia para usos municipales, industriales y agrícolas sin restricciones, sin incentivos que alienten la reutilización o conservación, ha incrementado en alto grado la competencia para conseguir fuentes limitadas de agua fácilmente accesible. [48]
47
Gráfica 1. Distribución de la cantidad total de agua en la superficie terrestre.
Agua dulce 2.6% Océano 97.4%
Fuente: BOTERO SANIN, Luís Fernando. Industria textil y medio ambiente. Parte I. En : Colombia Textil. Vol. 32, No. 121 (jul.–sep. 1996); p. 49. Gráfica 2. Distribución del agua dulce total en la tierra. Disponible 0.6%
Capas freáticas 22.2%
Glaciares 77.2%
Fuente: BOTERO SANIN, Luis Fernando. Industria textil y medio ambiente. Parte I. En : Colombia Textil. Vol. 32, No. 121 (jul. – sep. 1996); p. 49.
Gráfica 3. Consumo del agua dulce disponible. Industria 7%
Hogar 5% Agricultura 88%
Fuente: BOTERO SANIN, Luís Fernando. Industria textil y medio ambiente. Parte I. En : Colombia Textil. Vol. 32, No. 121 (jul.–sep. 1996); p. 49. 48
1.2 USOS DEL AGUA
El hombre emplea el agua para múltiples usos, entre ellos: consumo humano, irrigación, agricultura, consumo industrial, generación de energía eléctrica, consumo de animales y explotaciones piscícolas, navegación, silvicultura y recreación. [68] El uso consuntivo del agua es aquel que impide que el agua esté disponible para uso ulterior, ya sea debido a evaporación, contaminación, o filtración bajo tierra, a menos que el ciclo hidrológico la devuelva en forma de lluvia. El uso no consuntivo del agua deja disponible el agua, después de un tratamiento si es necesario, para un nuevo uso sin pasar por el ciclo hidrológico. La creciente demanda de agua potable por parte del público, 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 países en vía de desarrollo, y así 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 obligará 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 parámetros de calidad, los cuales se clasifican en: hidrológicos, físicos, químicos y biológicos. En la Tabla 1. se resumen los parámetros que se encuentran en cada clasificación.
Se debe tener en cuenta que los parámetros físicos no son índices absolutos de contaminación y sus valores normales pueden variar considerablemente y, por lo tanto, en cada caso se mide la desviación con respecto a la norma. Estos también se denominan como parámetros organolépticos, es decir que se detectan en primera instancia por los órganos de los sentidos. [68]
49
Tabla 1. Clasificación de los parámetros indicadores de la calidad del agua. Clasificación Parámetros
No específicos Químicos Específicos
Físicos
Alcalinidad pH Conductividad Dureza Oxígeno disuelto (OD) Nitrógeno (NH4, NO3-) Cloruros Detergentes Fenoles Pesticidas Material orgánico oxidable Color Temperatura Turbiedad Olor Sabor Caudal Velocidad Mezcla
Hidrológicos
Coliformes fecales Virus Vibro cólera Biológicos Población mesófila No patógenos Zooplancton Algas Fuente: RESTREPO MEJÍA, Ana Patricia y TOBÓN MEJÍA, Olga Lucía. Manual de calidad de aguas. Medellín: Facultad de Ingeniería Ambiental EIA, 2002. p. 205. Patógenos
- Contaminantes del agua. En la Tabla 2. se indican algunas de las sustancias presentes en el agua residual cuyo vertimiento puede originar problemas ambientales.
50
Tabla 2. Componentes químicos típicos que pueden encontrarse en el agua residual y sus efectos. Componente Efecto Concentración crítica (mg/L) Pueden provocar Sólidos deposiciones de sólidos o Variable suspendidos enturbiamiento. Materia orgánica biodegradable
Contaminantes Prioritarios
Compuestos orgánicos volátiles
Pueden agotar la reserva de oxígeno disponible. Tóxicos para carcinógenos.
el
Tóxicos para acuático.
el
Tóxicos para carcinógenos, oxidantes (smog)
Variable
hombre, Varía en función constituyente.
del
entorno Varía en función de la presencia en la columna de agua, masa biológica o sedimento. el hombre, forman Varía en función del fotoquímicos constituyente.
Nutrientes
Amoníaco
Nitrato
Aumenta la demanda de cloro. Puede convertirse a nitratos y agotar los recursos Cualquier cantidad de oxígeno. Con el fósforo puede llevar al crecimiento de algas. Tóxico para los peces. Variable según el pH y la temperatura. Estimula el crecimiento 0.3 para lagos con aguas acuático y de las algas. tranquilas. Puede causar 45 metagemoglobinemia en los niños. Estimula el crecimiento 0.3 para lagos con aguas acuático y de las algas. tranquilas. Interfiere con la coagulación
0.2 – 0.4
Fosfato Interfiere ablandamiento cal-sosa.
con
51
el
0.3
Componente Efecto Otros compuestos orgánicos Agentes Provocan espumas y pueden tensoactivos interferir con la coagulación. Otros compuestos inorgánicos Aumenta la dureza y los Calcio y magnesio sólidos totales disueltos. Imparte sabor salado. Cloruro
Concentración crítica (mg/L) 1–3
250
Interfiere en los usos 75 – 200 agrícolas e industriales. Sulfatos Acción catártica. 600 – 1000 Fuente: TCHOBANOGLOUS, George et al. Ingeniería de aguas residuales : tratamiento, vertido y reutilización. 3 ed. México : Mc Graw Hill,1996. v.2, p. 755.
52
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 más económica posible, los principales problemas aparecen con los vertimientos de efluentes industriales, que deterioran gravemente el medio ambiente debido a la alta concentración de contaminantes y a la peligrosidad de cada uno de ellos. [62]
2.1 CLASIFICACIÓN DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES
Los contaminantes presentes en aguas residuales pueden eliminarse con procesos químicos, físicos y/o biológicos. Los métodos individuales de tratamiento de aguas suelen clasificarse en operaciones físicas unitarias, procesos químicos unitarios y procesos biológicos unitarios. Los métodos de tratamiento en los que predominan la acción de fuerzas físicas se conocen como operaciones unitarias, entre estas se encuentran el desbaste, mezclado, floculación, sedimentación, flotación, transferencia de gases y filtración. Los métodos en los cuales la eliminación o conversión de los contaminantes se consigue con la adición de productos químicos o gracias al desarrollo de ciertas reacciones químicas, se conocen como procesos químicos unitarios y fenómenos como la precipitación, adsorción y la desinfección son ejemplos de procesos convencionales en el tratamiento de aguas. Los procesos de tratamiento en los que la eliminación de los contaminantes se lleva a cabo gracias a la actividad biológica se conocen como procesos biológicos 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 eliminación 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 eliminación de material grueso, arenoso y flotante (grasas y aceites) y en la modificación de la distribución del tamaño de las partículas 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 acumulación de materiales en procesos aguas abajo. [39]
53
Los tratamientos primarios son los que eliminan una fracción de los sólidos suspendidos, coloides y de la materia orgánica del agua residual. Se efectúan previos a los tratamientos secundarios y no remueve microorganismos ni material soluble. [72] Cuando las aguas residuales han sido previamente tratadas mediante métodos preliminares y primarios (físicos o físico-químicos) y no se ha logrado eliminar un gran porcentaje de la contaminación orgánica, se requiere someter estas aguas a tratamientos en donde la acción de los microorganismos transforma la materia orgánica biodegradable de los residuos en material estable e inofensivo a las fuentes receptoras. Los tratamientos secundarios son la combinación de diferentes procesos empleados para la eliminación de sólidos en suspensión y de compuestos orgánicos biodegradables que incluyen tratamientos biológicos. [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 eliminación de constituyentes de las aguas residuales que merecen especial atención como nutrientes, compuestos tóxicos, excesos de materia orgánica o de sólidos suspendidos, iones y sólidos disueltos. [72] Algunas de las Operaciones o procesos unitarios según el nivel de tratamiento del agua se citan en la Tabla 3.
Tabla 3. Operaciones o procesos unitarios según el nivel de tratamiento de aguas Tipo de tratamiento
Operaciones o procesos unitarios
Preliminares
Dilaceración, desbaste, filtración, flotación, remoción por gravedad, tanque Imhoff, filtración por membrana, remoción de grasas y aceites, tamizado grueso y fino, y microtamizado. [72, 39]
Primarios
Tamizado, sedimentación primaria. [72]
Secundarios
Lodos activados, reactores de lecho fijo, sistemas de lagunaje, sedimentación secundaria, desinfección. [72]
Terciarios
Coagulación química, floculación, sedimentación seguida de filtración y carbón activado. Intercambio iónico, osmosis inversa, electrocoagulación. [72]
54
Algunos de los criterios importantes para la selección 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 6) La flexibilidad del proceso debe ser operación, mantenimiento y control, ya alta con respecto a la escala a la cual es que una buena operación no debe aplicada, debe prepararse para las depender de la presencia de posibilidades de ampliación y operadores e ingenieros mejoramiento de la eficiencia. experimentados. 7) El requerimiento de área debe ser 2) El sistema no debe provocar malos bajo, en especial cuando no está olores y problemas de salud. disponible y/o el precio es alto. 8) El sistema debe ofrecer buenas 3) El número de etapas requeridas para posibilidades para recuperar el proceso deben ser las mínimas subproductos útiles en irrigación y posibles. fertilización. 9) Es recomendable disponer de la 4) El sistema deber ser estable a capacitación suficiente en el manejo del interrupciones en la alimentación. sistema. 5) El tiempo de vida del sistema debe 10) El sistema no debe tener ningún ser largo. problema con la disposición de lodos. Fuente: MERCADO MARTÍNEZ, Iván Darío. La electrocoagulación, una nueva alternativa para el tratamiento de aguas residuales. Medellín, 2005. p. 26. Proyecto de grado (Especialista en Ingeniería Ambiental). Universidad Pontificia Bolivariana. Escuela de Ingenierías. Especialización en Ingeniería 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.
55
Tabla 5. Operaciones y procesos unitarios y sistemas de tratamiento utilizados para eliminar la mayoría de los contaminantes presentes en el agua residual. Contaminante Sistema de tratamiento, operación ó proceso unitario Desbaste y dilaceración, desarenado, sedimentación, filtración, flotación, adición de polímeros, sistemas Sólidos en suspensión naturales (tratamiento de evacuación al terreno) , coagulación/sedimentación. Variantes de fangos activados, película fija: filtros Materia orgánica percoladores y biodiscos, variantes de lagunaje, filtración Biodegradable intermitente en arena, sistemas físico – químicos, sistemas naturaleza. Compuestos Arrastre por aire, tratamiento de gases, absorción en orgánicos volátiles carbón. Cloración, hipócloración, cloruro de bromo, ozonación, Patógenos radiación UV, sistemas naturales. Nutrientes: Variantes de sistemas de cultivo en suspensión con nitrificación y desnitrificación, variantes de sistemas de Nitrógeno película fija con nitrificación y desnitrificación, arrastre de amoniaco, intercambio iónico, coloración al breakpoint, sistemas naturales. Adición de sales metálicas, coagulación y sedimentación Fósforo con cal, eliminación biológica del fósforo, eliminación biológica – química del fósforo, sistemas naturales. Nitrógeno y fósforo Eliminación biológica de nutrientes. Materia orgánica Adsorción en carbón, ozonación terciaria, sistemas refractaria naturales. Precipitación química, intercambio iónico, sistemas de Metales pesados tratamiento por evacuación al terreno. Sólidos disueltos Intercambio iónico, osmosis inversa, electrodiálisis. orgánicos Fuente: TCHOBANOGLOUS, George et al. Ingeniería de aguas residuales : tratamiento, vertido y reutilización. 3 ed. México : Mc Graw Hill,1996. v.1, p. 144.
2.2
MÉTODOS
ELECTROQUÍMICOS
DE
TRATAMIENTO
DE
AGUAS
RESIDUALES
La búsqueda de nuevos tratamientos para combatir la contaminación ambiental, ha llevado a los científicos a considerar la utilización de los métodos electroquímicos para transformar y remover los contaminantes de efluentes.
56
Los métodos electroquímicos de tratamiento de aguas residuales como la electroflotación, electrodecantación y la electrocoagulación [41], involucran el uso de una celda electrolítica y un par de electrodos metálicos a través de los cuales se hace circular una corriente eléctrica. [62] Sistemas electroquímicos pequeños son viables y en vez de usar reactivos químicos y microorganismos, el sistema emplea electrones para realizar el tratamiento. Estos métodos utilizan una instrumentación robusta y compacta, fácil de conseguir que ofrezcan la posibilidad de una fácil distribución y potencialmente pueden reemplazar procesos sofisticados, ya que requieren contenedores de poca capacidad. Entre las ventajas de los métodos electroquímicos se encuentran los beneficios ambientales, de compatibilidad, versatilidad, eficiencia de energía, seguridad, selectividad, facilidad de automatización del proceso y bajos costos. Los métodos electroquímicos han sido estudiados pero pocos autores se han enfocado en las variables que son cruciales para el mejoramiento del desempeño de estas aplicaciones. [66] De todas las técnicas electroquímicas conocidas se tiene mayor interés en emplear la electrocoagulación como método de tratamiento de aguas residuales que contengan metales pesados, residuos de grasa, tintes textiles, partículas suspendidas, suspensiones acuosas de partículas ultrafinas, nitratos, fenoles, arsénico y contaminantes orgánicos, y se emplea para potabilizar agua. [66]
57
3. LA ELECTROCOAGULACIÓN
La electrocoagulación es un método electroquímico de tratamiento de aguas contaminadas donde un electrodo de sacrificio se corroe para que se lleve a cabo la coagulación. [11] La electrocoagulación es un proceso complicado que envuelve varios mecanismos químicos y fenómenos físicos, que emplea electrodos consumibles para suplir iones en el agua residual. Un proceso de electrocoagulación involucra tres etapas sucesivas: • • •
Formación de los coagulantes por oxidación electrolítica del electrodo de sacrificio. Desestabilización de los contaminantes, partículas suspendidas y rompimiento de la emulsión. Agregación de las fases desestabilizadas para formar flocs. [66]
El mecanismo de desestabilización de los contaminantes, partículas suspendidas y del rompimiento de emulsión se describe a continuación: • •
•
Compresión de la doble capa difusiva alrededor de las especies cargadas por la interacción de los iones generados por la oxidación del ánodo de sacrificio. Neutralización de las cargas de las especies iónicas presentes en el agua residual ocasionada por lo iones coagulantes producidos por disolución electroquímica del ánodo de sacrificio. Estos iones coagulantes reducen la repulsión electrostática entre partículas lo que causa la coagulación y de este proceso resulta una carga neta igual a cero. Los flocs que se forman como resultado de la coagulación crean una capa de lodos que atrapa y conduce las partículas coloidales que permanecen en el medio acuoso. [66]
Las siguientes reacciones fisicoquímicas tienen lugar en una celda de electrocoagulación [66]: -
Reducción catódica de las impurezas presentes en el agua residual. Descarga y coagulación de las partículas coloidales. Migración electroforética de iones en solución. Electroflotación de las partículas coaguladas ocasionada por las burbujas de hidrógeno y oxígeno producidas por los electrodos. Reducción de los iones metálicos en el cátodo. Otros procesos químicos y electroquímicos. 58
Cuando un potencial es aplicado por una fuente externa de energía, en el ánodo se lleva a cabo una oxidación mientras que en el cátodo se lleva a cabo una reducción. La reacción electroquímica con el metal (M) como ánodo se puede resumir como se muestra a continuación: [66] En el ánodo:
M ( s ) → M (naq+ ) + n ⋅ e −
(1)
2 H 2 O(l ) → 4 H (+aq ) + O2( g ) + n ⋅ e −
(2)
En el cátodo:
M (naq+ ) + n ⋅ e − → M ( s )
(3)
2 H 2 O( l ) + 2 e − → H 2( g ) + 2 OH −
(4)
En el ánodo metálico, fabricado habitualmente de hierro o aluminio, se llevan a cabo dos reacciones de separación. Inicialmente el ánodo se disuelve y produce de manera continua hidróxidos poliméricos metálicos que son excelentes agentes coagulantes. La coagulación ocurre cuando los cationes combinados con las partículas negativas son llevados cerca del ánodo por movimiento electroforético. También se da la electrolisis del agua en una reacción paralela produciendo pequeñas burbujas de oxígeno en el ánodo y de hidrógeno en el cátodo. Estas burbujas atraen las partículas floculadas y las hace flotar hasta la superficie, y es por esto que el proceso de electrocoagulación esta asociado de manera intrínseca a la electroflotación. Los contaminantes presentes en el agua residual son tratados por reacción química y por precipitación o adición física o química a materiales coloidales que se generan por la erosión del electrodo. Estos son removidos posteriormente por electroflotación o por sedimentación y filtración. El éxito de un proceso de electrocoagulación esta determinado por el tamaño de burbuja y la mezcla adecuada de éstas con el agua residual. Las pequeñas burbujas proveen mayor área superficial para que las partículas se adhieran en el lodo acuoso, resultando así una separación eficiente. [66] En un proceso de electrocoagulación 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 través de la solución electrolítica. Una 59
relación simple entre la densidad de corriente y la cantidad de sustancia disuelta se puede derivar de la ley de Faraday:
w=
i ⋅t ⋅ M n⋅F
(5)
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: número de electrones en la reacción de óxido reducción. 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 cálculo si no se tiene en cuenta la geometría del electrodo y las condiciones óptimas de operación del electrocoagulador. [66]
3.1 POTENCIAL EN UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIÓN
El potencial medido es la suma de tres componentes:
η AP = η K + η Mt + η IR
( 6)
Donde: η AP : Sobrepotencial aplicado (V).
ηK : Sobrepotencial cinético (V).
60
ηMt : Sobrepotencial de concentración (V). ηIR : Sobrepotencial causado por la resistencia de la solución (V). El sobrepotencial causado por la resistencia de la solución esta relacionado con la distancia entre los electrodos (d en cm.), el área superficial del cátodo (A en m2), la conductividad específica de la solución (k en mS m-1) y la corriente (I en A), por medio de la siguiente ecuación:
η IR =
I ⋅d A⋅k
(7 )
Este sobrepotencial puede ser fácilmente minimizado decreciendo la distancia entre electrodos e incrementando el área de sección transversal de los electrodos y la conductividad especifica de la solución. El sobrepotencial de concentración también conocido como sobrepotencial de difusión o de transferencia de masa, es causado por la diferencia de concentración de las especies electroactivas entre la solución y la superficie del electrodo debido a la reacción del electrodo. El sobrepotencial de concentración es despreciable cuando la constante de velocidad de reacción 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 metálicos transportados desde la superficie del ánodo hasta la solución aumentando la turbulencia de la solución. [66] El sobrepotencial cinético también llamado potencial de activación es causado por la barrera de la energía de activación a la reacciones de transferencia de electrones. El sobrepotencial de activación es particularmente alto por la generación de gases en los electrodos. Ambos, el sobrepotencial cinético y de concentración, incrementan al aumentar la corriente. De cualquier manera el efecto de estos cambios debe ser investigado para tipos específicos de especies químicas y físicas en soluciones acuosas. [66]
61
3.2.
TIPOS DE REACTORES PARA ELECTROCOAGULACIÓN
Los reactores empleados para el proceso de electrocoagulación se pueden clasificar como se muestra en la Figura 1. La mayor cantidad de aplicaciones de la electrocoagulación son en continuo y trabajan en condiciones de estado estable o pseudo estable. La aplicación de la electrocoagulación en batch opera típicamente 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 operación y diseño, ya que las condiciones dentro del tanque cambian con el tiempo, es decir, tiene un comportamiento dinámico. Una diferencia importante entre los reactores se debe a si en el reactor se lleva a cabo o no el proceso de flotación. [11]
Figura 1. Clasificación de sistemas de reactores de electrocoagulación.
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.
62
3.3.
DISEÑO DE UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIÓN
Es importante diseñar una celda de electrocoagulación para alcanzar la máxima eficiencia posible, por lo tanto se deben considerar los siguientes factores: - Se debe minimizar el sobrepotencial entre electrodos causado por la resistencia de la solución y la acumulación 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 solución en el reactor. Las burbujas gaseosas de oxígeno e hidrógeno que se forman alrededor de los electrodos son de forma esférica y a medida que se acumulan en la superficie de los electrodos se incrementa la resistencia eléctrica de la celda y como resultado de esto se requiere mayor cantidad de energía para lograr la eficiencia de remoción óptima; para minimizar esta acumulación de las burbujas se puede emplear vibraciones. [66] Para el diseño de un reactor de electrocoagulación se debe tener en cuenta que la celda de electrocoagulación 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 operación de disolución del metal óptima se requiere el uso de electrodos con la mayor área superficial posible. El mejoramiento del desempeño 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 energía de corriente directa. En un arreglo monopolar cada par de electrodos de sacrificio están internamente conectados entre sí, y no tiene interconexión con los electrodos externos. Este arreglo de electrodos monopolares con celdas en serie es eléctricamente similar a una celda con múltiples electrodos e interconexiones. El montaje experimental requiere además de una caja de resistencias para regular el flujo de corriente y un multímetro para leer los valores de corriente. Las placas de metal se conocen comúnmente como electrodos de sacrificio (el electrodo de sacrificio y el cátodo 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 eléctrica se divide entre los electrodos de manera proporcional a la resistencia de la celda individual. [66] Para mejorar el desempeño de la electrocoagulación se recomienda intercambiar la polaridad de los electrodos de manera intermitente. [33]
63
Figura 2. Diagrama esquemático de una celda de electrocoagulación 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
ELECTROCOAGULACIÓN.
La electrocoagulación es una técnica eficiente cuya relación costo efectividad es buena. Además como no se requiere de productos químicos en este proceso entonces no se produce contaminación secundaria. Con esta técnica se pueden remover partículas coloidales pequeñas de manera eficiente en comparación con las técnicas químicas convencionales, ya que las pequeñas partículas cargadas tienen mayor probabilidad de ser coaguladas por el campo eléctrico que las mantiene en movimiento. [66, 12] En la Tabla 6. se encuentran listadas otras ventajas del proceso de electrocoagulación:
64
Tabla 6. Ventajas de proceso de electrocoagulación. 1) Las burbujas producidas durante la 5) Sus costos de operación son electrocoagulación tienen mayor relativamente bajos si se realiza un estabilidad que las generadas en los apropiado diseño del reactor, tratamientos de efluentes con flotación de selección de los materiales para aire comprimido y de flujo de aire disuelto, electrodos, y una optimización de los por lo que conservan su gran superficie parámetros de funcionamiento. Éste de contacto y por tanto, aumenta la proceso requiere poca corriente eficiencia de la remoción. eléctrica y bajos costos de mantenimiento. 2) Éste tratamiento electroquímico 6) El material separado por provoca una mejor y rápida ruptura de las electrocoagulación puede ser emulsiones, comparado con los equipos reprocesado como subproducto lo convencionales para separación de cual permite que el efluente tratado aceites. pueda ser reutilizado. 3) La cantidad de lodos generados son 7) Los equipos para menores que para otros métodos electrocoagulación son compactos y tradicionales, ya que se efectúa de fáciles de instalar, factores que son manera simultánea flotación y muy apreciables cuando no se coagulación. dispone de espacio suficiente. 4) Permite la reducción de una amplia 8) Este proceso es sencillo de variedad de contaminantes, como: automatizar debido a que el control de metales pesados, grasas y aceites, dosificación se realiza mediante el materia orgánica, fosfatos y cianuros. ajuste de corriente. Fuente: MERCADO MARTÍNEZ, Iván Darío. La electrocoagulación, una nueva alternativa para el tratamiento de aguas residuales. Medellín, 2005. p. 43. Proyecto de grado (Especialista en Ingeniería Ambiental). Universidad Pontificia Bolivariana. Escuela de Ingenierías. Especialización en Ingeniería Ambiental
Entre las desventajas de la electrocoagulación se encuentra requerimientos como el reemplazo periódico del electrodo de sacrificio, y que el agua tenga una conductividad mínima que varía según el diseño del reactor lo que limita su uso en aguas con baja cantidad de sólidos disueltos. En el caso de la remoción de componentes orgánicos se pueden formar compuestos orgánicos tóxicos al emplear el método de electrocoagulación. También como una desventaja se encuentra la formación de una película de óxido impermeable en el cátodo que interfiere con el buen desempeño de la celda, este efecto se puede disminuir cambiando la polaridad de la celda. Los costo de operación de la celda de electrocoagulación pueden ser altos donde los costos de la electricidad sean altos. [66] Este sistema para el tratamiento de efluentes líquidos tiene una gran desventaja con respecto a otros tratamientos convencionales, ya que no tiene ninguna 65
incidencia en la remoción de la DBO ocasionada por los compuestos orgánicos solubles y solamente remueve un porcentaje de la DBO asociada con los sólidos suspendidos. Por lo tanto, si el objetivo del tratamiento es remover los compuestos orgánicos que ejercen una demanda bioquímica del oxígeno disuelto en las corrientes receptoras, el proceso de electrocoagulación resulta ser inadecuado. [49, 51] Además cuando la concentración de los metales en el efluente a tratar es baja, el tratamiento de electrocoagulación resulta ser inadecuado, sin embargo a concentraciones altas se logran importantes remociones. [62] La literatura no revela ningún avance sistemático para el diseño y operación de reactores para la electrocoagulación y no hay ningún diseño predominante usado hasta el momento, además las publicaciones hechas hasta el momento se refieren a operaciones en batch. También hay que considerar que hay poca asesoría disponible para realizar un diseño preliminar. Igualmente se debe tener en cuenta que el desempeño de este tipo de reactores depende de los electrodos y el arreglo empleado, y varía de acuerdo al tipo de material y geometría de los electrodos. [11]
Tabla 7. Soluciones a las dificultades operativas de un sistema de electrocoagulación. Dificultad operativa Solución 1) El mayor problema operativo Para evitar éste problema se pueden proviene de la inutilización de los utilizar electrodos móviles o sistemas de ánodos. Esto sucede, porque los generación de turbulencia (agitadores hidróxidos insolubles pueden mecánicos, difusores de gas, etc.) o aglomerarse en la superficie del ánodo cambiar su polaridad, periódicamente y impidiendo el proceso de de esta forma el hidrógeno desprendido electrodisolución. favorece la separación de las capas adheridas a los electrodos. 2) Los principales problemas de esta Cuando las aguas residuales no tienen tecnología aparecen si la concentración suficiente concentración de sales, es del ión a eliminar en el agua residual es necesario añadirlas ya que originan baja, ya que aparecen limitaciones en el burbujas de gas de menores tamaños y transporte de materia y disminuye la también incrementan la conductividad eficacia del proceso ya que los del agua residual que se traduce en procesos electroquímicos depende de la bajos consumos de energía y contribuye conductividad del residuo líquido en que a un mejor rendimiento de los se realizan. electrodos. Fuente: MERCADO MARTÍNEZ, Iván Darío. La electrocoagulación, una nueva alternativa para el tratamiento de aguas residuales. Medellín, 2005. p. 45. Proyecto de grado (Especialista en Ingeniería Ambiental). Universidad Pontificia Bolivariana. Escuela de Ingenierías. Especialización en Ingeniería Ambiental
66
3.5.
APLICACIONES DE LA ELECTROCOAGULACIÓN
La electrocoagulación tiene una larga historia como tecnología de tratamiento de aguas y la literatura indica que fue descubierta en los últimos cien años o quizás más. En tiempos recientes se ha dado un interés renovado por las plantas de tratamiento continuo de aguas para aplicaciones de tipo industrial, basadas en la tecnología de electrocoagulación, debido a su efectividad para remover un amplio rango de contaminantes, su bajo costo comparado con otras tecnologías y su simplicidad de diseño y operación. [11] Hasta el momento las aplicaciones y estudios reportados en artículos de revistas sobre la electrocoagulación se centran en un solo contaminante y todos estos experimentos prueban la viabilidad de la electrocoagulación. [11] Éste es un método efectivo para desestabilizar partículas finas dispersas en aguas, para tratar aguas con compuestos orgánicos complejos que se oxidan en el ánodo y se descomponen en sustancias simples que no son tóxicas. [9] Además 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], también para tratar aguas que contengan arsénico [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 poliméricos [22], partículas suspendidas [43], suspensiones acuosas de partículas ultrafinas [37], nitrato [58], residuos fenólicos [25], fósforo [45], flúor [18, 10, 50], entre otros. La optimización de la técnica de electrocoagulación es un proceso empírico, hasta el momento que comprende procesos químicos y físicos complejos que envuelven fenómenos de interfase y de superficie. Debido a que sus fenómenos no son totalmente entendidos, el diseño de los reactores se ve restringido para así obtener el desempeño óptimo de los mismos, y su potencial de aplicación 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 electrocoagulación que deben tenerse en cuenta a la hora de realizar un el diseño de equipos o para la operación de los mismos, estos aspectos se resumen en las Tabla 8. y 9.
67
Tabla 8. Efectos de algunos factores controlables en electrocoagulación. Factor Efectos 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] Voltaje
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 área de sección transversal y la conductividad especifica de la solución. [66]
Densidad de corriente
Mientras mayor sea la densidad de corriente aplicada mayor será la producción de burbujas en los electrodos. [31]
Distancia entre electrodos
Debe ser lo menor posible, ya que tiene una considerable influencia en el consumo de energía. [62]
Consumo de electrodo
Como consecuencia de la disolución de los electrodos los electrodos se desgastan y su tiempo de vida útil se relaciona directamente con la corriente aplicada al sistema y el tiempo de residencia hidráulico del líquido a tratar [62]
Material del electrodo
Deben tener resistencia química y buenas propiedades electroquímicas, por lo cual el cátodo debe contar con elevados sobrepotenciales que favorezcan las reacciones de descomposición del agua y permitan obtener elevados rendimientos electroquímicos. Usualmente se usan electrodos de aluminio y hierro.[44] Se debe tener en cuenta los precios según el material. [62]
68
Tabla 9. Efectos de algunas de las variables respuestas sobre el proceso de electrocoagulación. Variable respuesta Efectos pH Medida de la acidez o alcalinidad de Es un factor importante que afecta medios acuosos. Se expresa como el el desempeño del proceso de logaritmo negativo (base 10) de la electrocoagulación. [32, 41, 34]. concentración molar de iones H+. [68] 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 ácido o una sal, disociadas en iones. [68]
69
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 más alta posible. [11]
4. LA INDUSTRIA TEXTIL
4.1
GENERALIDADES
La industria textil es una de las más grandes del mundo en términos de su producción y el número de trabajadores que ocupa; esta compuesta por más 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 más grandes y experimentadas de América Latina con la aplicación de tecnologías de punta. La cadena textilconfección concentra el 12.1% de la producción industrial de Colombia, cerca del 6% de las exportaciones totales y el 13.3% de las ventas de productos no tradicionales del país. [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 algodón o fibras sintéticas como el poliéster y el nylon. La etapa textil comienza propiamente con los hilanderos y termina con los tejedores, acabadores y fabricantes de artículos 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 función del número de telares o de la capacidad de producción en metros cuadrados. [67] Colombia cuenta con más 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 región y a la tecnología. Medellín y Bogotá concentran la industria textil de Colombia, sin embargo las condiciones son diferentes. En Medellín nació 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. También cuenta con empresas aunque pequeñas representativas en otros segmentos de la industria textil como por ejemplo, Indulana y Vicuña en la lana y Fatelares. Bogotá presenta una industria 70
joven que data de la década de los 60 y 70; en cuya región se han posicionado marcas como Textilia, Protelia y Lafayette. [67]
Tabla 10. Distribución de los tejedores en el país. Ciudad Actividad Medellín Bogotá Resto del país 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 básicas. En : Plantación Estratégica de Coltejer. (1995); p. 16.
Tabla 11. Distribución de otros textileros en el país. Ciudad Actividad Medellín Bogotá Resto del país 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 básicas. En : Plantación Estratégica de Coltejer. (1995); p. 16.
No obstante Colombia es un país apto para la producción de la industria textil, es así como a partir de la década de los 80 la industria se viene expandiendo poniendo sus ojos en otras regiones como es el caso de Ibagué, en especial con la empresa Fibratolima. En Colombia la repartición de las empresas no corresponde a la capacidad de producción, Bogotá tiene el mayor número de empresas y representa el 39% de la producción mientras Medellín representa el 49%. En las Tablas 12, 13 y 14. se indica la distribución de la capacidad de producción por actividad y región. [67]
71
Tabla 12. Telares instalados en tejeduría. Actividad
Medellín
Bogotá
Resto del país
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 básicas. En : Plantación Estratégica de Coltejer. (1995); p. 17.
Tablas 13. Telares instalados en confección tejida y maquinaria de hiladura. Actividad
Medellín
Bogotá
Resto del país
Total
Medias
205
1284
230
1719
Calcetería
1555
470
97
2122
Cintería
2090
980
479
3549
Rectilíneas
300
1200
Hilatura huso
564
210
1500 197
971
Hilatura rotor 11600 10600 3500 25700 Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones básicas. En : Plantación Estratégica de Coltejer. (1995); p. 17. Tabla 14. Distribución de la capacidad de producción en millones m2 Tejeduría Actividad
Medellín
Bogotá
Resto del país
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
39
12
100
%
49
Confecciones tejidas Medias
7
45
8
60
Calcetería
12
4
1
17
Cintería
12
6
3
21
Rectilíneas* 6 20 26 Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones básicas. En : Plantación Estratégica de Coltejer. (1995); p. 17.
72
Las compañías tejedoras destacadas del país se muestras en la Tabla 15.
Tabla 15. Principales Tejedores de tela del país Medellín Bogotá Resto del país Coltejer, Fabricato, Textilia, Textrama, Fibratolima (Ibagué) Pantex, Tejicóndor, Texmeralda, Hilat Unica (Manizales) Tejido plano Fatelares, Indulana, Lafayette, Intextil Celtex (Barranquilla) Vicuña, Bolton Romanos, Poltexas, Fabrisedas (Cali) Riotes, Coltepunto Protela, Lafayette, Liverpool, Prisma Suavipunto, Eliot Calitex (Cali) Tejido de punto Lindalana, Arango Unionpunto, Hilacol Fatextol (Ibagué) circular Balalaika, Gatv Textilia, Textura. Vestimundo, Ciatex Protela, Textura, Formaflex, Tricotexto, Lafayette Tejido punto Balalaika, Puntoflex Rascheltex, rectilíneas Triconylon Icobordados, Cortintex Fuente: OROZCO, Arturo. Industria textil de Colombia : consideraciones básicas. En : Plantación Estratégica de Coltejer. (1995); p. 18.
4.3
PROCESOS DE LA INDUSTRIA TEXTIL
Los procesos de producción de la industria textil se caracterizan por consumir gran cantidad de energía, colorantes, productos químicos y agua, y por causar contaminación química [29, 24]. La industria textil procesa diferentes fibras y debido a la gran diversidad de procesos, productos químicos y maquinaria empleada, estas industrias son muy variadas y numerosas, y van desde plantas altamente automatizadas hasta pequeñas instalaciones artesanales. [40] Los procesos de la industria textil comprenden las operaciones de pretratamiento, teñido, estampado y acabado. En el pretratamiento se elimina el carácter hidrofobito de la tela cruda por medio del engomado, donde se usan ceras, gomas o aceites naturales. En la operación de acabado se imprime a la tela cruda características y propiedades especiales, ya que ésta presenta una contextura rígida amarillenta, sin brillo y posiblemente tenga impurezas. Una vez terminado el acabado de la tela ésta debe absorber rápidamente agua, estar libre de grasas, gomas, minerales e impurezas y tener afinidad con los colorantes. 73
Dentro de los diferentes tratamientos que recibe la tela en la etapa de acabado están: Preparar la tela para posteriores etapas como el chamuscado, desengomado, descrude, mercerizado y blanqueo. Cambiar su fisonomía como el teñido y el estampado. Brindarle propiedades repelencia. [67]
finales
de
apariencia,
suavidad,
inarrugabilidad
y
En la Figura 3. se observa un esquema de un proceso de acabado típico 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 tintorerías textiles : Caso PANTEX S.A. Medellín, 1997, 189 p. Tesis (Ingeniero Químico). Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad de Ingeniería Química.
74
4.4
CARACTERÍSTICAS 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 estará altamente contaminada después de los procesos. Para la fabricación de una tonelada de producto textil se consume aproximadamente 200 toneladas de agua y del total de productos químicos utilizados el 90% aproximadamente es vertido como desecho después de cumplir su misión. [27] En la Gráfica 4. se observa la distribución del consumo de agua en la industria textil. [24]
Gráfica 4. Distribución del consumo de agua en la industria textil.
41% Pretratamient o
52% Tintura
6%
1% Refrigeración Acabados
Fuente: BOTERO SANIN, Luís 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 líquidos son el lavado, la tintura, el estampado y el acabado. Las aguas residuales textiles son irregulares y variables en su composición ya que dependen de la unidad de proceso y la operación que se efectué. [67] Las industrias textiles son contaminantes en términos de volumen y complejidad de sus efluentes ya que cada una de las actividades que realizan genera agua residual de características muy variables. [40] Además las aguas residuales textiles se caracterizan por tener pH que varía de acuerdo al proceso, altos valores de DQO, DBO, altos niveles de color, turbiedad, una alta concentración de sólidos suspendidos y descargas a altas temperaturas. [8, 11, 41] Valores típicos de DQO y DBO para industrias dedicadas al acabado textil son 1700 mg O2/L y 550 mg 75
O2/L. [24] Las aguas residuales de teñido y de procesos de acabado de la industria textil con una demanda química de oxígeno que exceda 1600 mg/l y que tenga un color muy oscuro es considerada agua residual altamente contaminada y fuente significativa de contaminación. [11] En la Tabla 16. se clasifican los contaminantes de las aguas residuales textiles en tres grandes grupos. [40]
Tabla 16. Clasificación general de los contaminantes de las ARI textiles Clasificación Efectos contaminantes Las materias disueltas se depositan lentamente Materias en suspensión: sobre los cursos de agua, si el depósito es (Residuos minerales, fibras, importante afecta la vida acuática. Cuando estas sustancias insolubles…) materias son de naturaleza orgánica se Son relativamente escasas en descomponen progresivamente agotando el los efluentes textiles excepto oxígeno y generando gases tóxicos y mal en los lavaderos de lana. olientes. Disminuyen el crecimiento de la flora acuática al impedir la penetración de la luz. Los aceites en particular son tóxicos y perturban la aireación de los cuerpos acuáticos y destruyen la vegetación. La industria textil sólo genera grasas y aceites de forma importante en el lavado de la lana y en Materias flotantes: los procesos de estampación en los que intervienen pastas de petróleo. Los tensoactivos Aceites, grasas y espumas son de uso generalizado y en concentraciones bajas (1 - 3 mg/L) son suficientes para producir espuma al verter el agua incluso después de un proceso de depuración. No obstante si las cantidades de tensoactivo son pequeñas la espuma desaparece después de muy pocos metros del vertido. Impurezas disueltas: Son los contaminantes Los reductores y la materia orgánica disuelta presentes en las ARI textiles consumen el oxígeno. Algunos de los productos de mayor importancia, entre contaminantes disueltos pueden ser además estos se encuentran: ácidos, tóxicos, como los derivados fenólicos, álcalis, reductores, oxidantes, transportadores de tintura, cromo, grasa, aceites, colorantes y un sin número de metales pesados, etc. productos auxiliares todos ellos solubles en agua. Fuente: CRESPI, M y HUERTAS, J. A. ¿Industria textil : Depuración biológica o fisicoquímica? En : Boletín Intextar del Instituto de Investigación Textil y de Cooperación Industrial Terrasa. Vol. 2, No. 92 (jul.–dic. 1987); p.75-90
76
Teniendo en cuenta el proceso de acabado señalado en la Figura 3. se observa que cada etapa contribuye en la carga total contaminante y por ende en la composición del agua residual. La carga contaminante del desengomado está dada por sólidos suspendidos y disueltos, grasas y aceites. Ésta etapa contribuye aproximadamente en un 50% del total de sólidos suspendidos producidos por la planta. En el mercerizado también se emplea soda cáustica causando los mismos efectos sobre la carga contaminante que el desengomado. [67] En la etapa de descrude se emplea hidróxido de sodio o soda cáustica, que causa una elevada alcalinidad y color grisáceo 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 químico por los altos costos que esto conlleva. [67] El blanqueo es realizado con peróxido de hidrógeno contribuye poco con la carga contaminante. [67] El aporte a la carga contaminante de los procesos de teñido es muy significativo y depende del tipo de colorante utilizado en la tintura, por lo general se presentan bajas cantidades de sólidos suspendidos y altas cantidades de DQO y DBO. En la Tabla 17. se observan valores típicos de la carga contaminante causada por diferentes colorantes. [67]
Tabla 17. Carga contaminante que aportan los colorantes. Litros de agua DQO Sólidos totales Colorante por Kg. de Tela (ppm) (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 tintorerías textiles : Caso PANTEX S.A. Medellín, 1997. 150 p. Tesis (Ingeniero Químico). Universidad Pontificia Bolivariana. Facultad de Ingeniería Química
El estampado presenta elevada DQO y DBO, alto contenido de sólidos y los valores de pH se encuentran entre neutro y alcalino. [67] La contribución de los procesos especiales a la carga contaminante está dada por resinas y productos naturales que son aplicados a la tela para darle propiedades particulares. [67] 77
4.4.1 Aguas residuales de los procesos de teñido. En general las aguas residuales del proceso de teñido 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 coloración del agua y no pueden ser reciclados. Además contienen tintes auxiliares, sustancias orgánicas que tampoco son reciclables y que son los responsables del alto nivel de DBO y DQO de los efluentes, también 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 70ºC. [29] Los procesos de teñido son de los que aportan mayor carga contaminante de los procesos textiles debido a que causan coloración de las aguas y a los tintes que contienen sustancias tóxicas y cancerígenas. [8] Tal coloración tiene un impacto negativo sobre la fuente de agua receptora, porque interfiere con la transmisión de luz a través del agua impidiendo la fotosíntesis de las plantas acuáticas [59, 61]. Estas aguas cambian de color con frecuencia ya que los tintes varían según los requerimientos del consumidor. [20]
4.5
TRATAMIENTOS
PARA
LAS
ARI
TEXTILES
POR
ELECTROCOAGULACIÓN
La industria textil es un sector expuesto a la sensibilidad pública y está sometido a críticas, 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 países industrializados y una necesidad a corto y mediano plazo para aquellos que se encuentran en vía de desarrollo, esto significa que toda inversión realizada en la protección del medio ambiente supone una garantía para el futuro, el alcance de mercados internacionales, el aumento de la competitividad, evita problemas con el público, el gobierno y las entidades financieras internacionales, además permite controlar riesgos de accidentes, sacar ventajas de nuevas oportunidades y disminuir sanciones por contaminación. [24] Debido a la variabilidad en composición de las aguas residuales provenientes de la industria textil algunos de los métodos convencionales empleados para la descontaminación de este tipo de ARI como degradación química, adsorción, precipitación, fotodegradación, biodegradación y coagulación química [41] son inadecuados e insuficientes, y los costos de emplear dichos métodos son altos debido a que requieren de gran cantidad de reactivos químicos y espacio para el montaje de los equipos de proceso. Es por esto que los métodos electroquímicos para tratamiento de estos efluentes son tan prometedores debido a que se han comprobado su buen funcionamiento para remover contaminantes que se 78
encuentran en este tipos de aguas [11] y además se ha encontrado que la mayoría de los compuestos que originan el color de los efluentes son factibles de remover por medio de tratamientos electrolíticos [70, 29, 2, 52, 34]. La electrocoagulación es un método electroquímico simple y efectivo que ha sido empleado de manera en los últimos años como un método para tratar aguas residuales de la industria textil, debido a que remueve de manera eficiente DQO, color, turbiedad y sólidos disueltos y además opera con bajo consumo de energía. [11] En la literatura se reporta algunos efectos de los factores controlables y variables respuesta en el proceso de electrocoagulación que deben tenerse en cuenta junto con los descritos en las Tablas 8.y 9. para la optimización 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 electrocoagulación en ARI textiles. Factor Efectos Para igual tiempo de retención y eficiencia de remoción de turbidez y DQO, el hierro requiere aproximadamente un 50% menos de densidad de corriente que el aluminio. [13] Densidad de Es el parámetro más importante para controlar para controlar la corriente velocidad de reacción en el rector por que determina la rata de producción de coagulante y ajusta la rata y el tamaño de burbuja. [41]
Tiempo de retención
En ARI textiles el tiempo de operación y la densidad de corriente muestran efectos similares en el consumo de energía y desgaste de los electrodos. Además se ha observado que para electrodos de aluminio el tiempo de retención es aproximadamente 50% mayor que para electrodos de hierro para obtener la misma remoción de DQO. [11]
Energía eléctrica consumida
La energía 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, además al aumentar la conductividad del agua decrece este consumo. [11]
Material Del electrodo
Para aluminio la energía consumida es mayor y el consumo de electrodo es menor, que usando electrodos de hierro. [13]
79
Tabla 19. Efectos de algunas de las variables respuestas en electrocoagulación. Variable respuesta Efectos En tratamiento de ARI textiles se debe aluminio si el ph es menor a 6 ya que se obtiene mayor eficiencia de remoción de turbidez y DQO, mientras que en Medida de la acidez o medio alcalino o neutro se prefiere hierro. [13] alcalinidad de medios acuosos. Se expresa Para un pH entre 5.5 y 8.5 se da la mayor eficiencia como el logaritmo de remoción de color causado por tintes, pero no es negativo (base 10) de la necesario realizar un ajuste de pH si el ARI textiles no concentración molar de se encuentra en este rango. [41] iones H+. [68] PH
DQO Parámetro de contaminación de agua que mide la materia orgánica contenida en una muestra líquida mediante oxidación química. [3]
En ARI textiles se ha encontrado que el hierro es más eficiente para remover DQO que el aluminio, ya que hay diferencias en el mecanismo de remoción de DQO para aluminio y hierro, ya que la remoción de DQO con electrodo de aluminio se lleva a cabo por electrocoagulación, mientras que con electrodos de hierro se lleva a cabo por efecto de electrocoagulación y electro - oxidación. [11]
Conductividad:
Las ARI textiles varían su conductividad según 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 energía y de electrodo disminuye al aumentar la conductividad del agua. [11]
La conductividad es la medida de la habilidad de una solución acuosa para conducir una corriente eléctrica, ésta habilidad depende de la concentración, movilidad Aumentar la conductividad de las aguas residuales no y valencia de los iones tiene un efecto considerable en la eficiencia de presentes. [3] remoción de color en aguas con tintes. [41]
La decoloración de las aguas residuales de lavanderías industriales es más rápida con electrodos Color Aparente: de aluminio que de hierro. Éstos últimos, hacen cambiar el color de las aguas de azul a verde y por Color ocasionado último las decoloran mientras el aluminio vuelven las por sustancias en aguas incoloras directamente en tiempos más cortos, solución, coloidales y por lo tanto son mejor opción si se pretende reutilizar material suspendido. [3] parte del agua tratada, porque los óxidos de hierro pueden deteriorar las prendas [30, 61]
80
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 disposición del agua, se considera el reuso de estos efluentes industriales como una alternativa viable para disminuir los costos y la contaminación ambiental. [71] Es imprescindible disminuir la coloración de estos efluentes al mínimo, y remover los compuestos orgánicos e inorgánicos de los efluentes así como los sólidos 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 combinación de procesos físicos, químicos y biológicos. Los procesos biológicos son poco efectivos en la remoción de tintes ya que por lo general son polímeros de baja biodegradabilidad y las otras técnicas convencionales se ven limitadas por los bajos rangos de concentración en que pueden ser utilizados, sin embargo, los métodos electroquímicos han probado ser satisfactorios en la remoción 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 descontaminación. [29]
81
5
DISEÑO DE EXPERIMENTOS
Para determinar la factibilidad de la implementación de un tratamiento para aguas provenientes de lavanderías industriales por electrocoagulación con el fin de obtener agua de reuso para así disminuir costos de producción, y teniendo en cuenta la información encontrada en la búsqueda bibliográfica, se llevó a cabo un diseño de experimentos con el cual se determinó la forma adecuada de correr las pruebas experimentales de manera tal que la información obtenida permitió obtener conclusiones estadísticamente válidas sobre el proceso. Como es necesario estudiar varios factores del proceso de electrocoagulación, se seleccionó el diseño experimental factorial fraccionado 2K-P, ya que éste diseño permite investigar el efecto individual principal y de interacción de los diferentes factores sobre las variables respuestas. Los diseños factoriales fraccionados sacrifican información poco importante (interacciones de alto orden), en aras de un número de tratamientos manejable y de obtener información de los efectos relevantes, en este caso se considera verdad el principio de jerarquía de los efectos (son más importantes los efectos principales, seguidos por interacciones dobles, luego las triples, cuádruples, etc.); además cuando se elige correr una fracción 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 ánodo, número de placas y tiempo de retención, estos factores fueron elegidos de acuerdo a la posible influencia que tienen sobre las variables respuesta. Se realizó una réplica de los experimentos y se trabajó cada uno de los factores en dos niveles.
5.1 DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS
Para el análisis de los datos experimentales se empleo el software especializado Statgraphics donde se desarrolló un diseño factorial fraccionado 25-1 que estudia el efecto de 5 factores en 32 experimentos realizados en dos réplicas 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 según la supuesta influencia sobre el proceso de electrocoagulación reportado en la bibliografía. La información básica acerca de los factores controlables y las variables respuestas en el diseño de experimentos se presenta en las Tablas 20 y 21. respectivamente. 82
Tabla 20. Información de los factores controlables del diseño 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 ánodo Aluminio (-1) Hierro (1) No Tiempo de retención 5.0 10.0 Min. Si Número de placas 2 6 No
Tabla 21. Información básica de las variables respuestas estudiadas. Variable respuesta Unidades Instrumento de medición pH Unidades de pH PHmetro (WTW 330i) Conductividad mS/cm. Conductímetro (WTW 330i) Turbiedad NTU Turbidímetro (HANNA Instruments)
5.2 MATERIALES Y MÉTODOS
Se empleó una muestra de agua textil de varios procesos de lavado y teñido que se llevan a cabo en una lavandería industrial de la ciudad de Medellín. La Tabla 22. resume las características de los efluentes industriales empleados en la experimentación y según estos valores se seleccionaron los niveles de los factores para el diseño de experimentos.
Tabla 22. Caracterización del ARI empleada en los experimentos. Parámetro 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 acrílico 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 área de ánodo activa total de 81.25 x 10 cm2 para 6 placas y de 15.45 x 10 cm2 para 2 placas. Se emplearon ánodos de hierro o aluminio y cátodos de acero inoxidable. En cada experimento se trató una muestra de 2L de agua residual y se empleó una fuente regulada de voltaje (Inelpro, 110V monofásica), para aplicar un sobrepotencial de 10V ó 20V según el caso. Las muestras se filtraron con papel filtro antes de ser analizadas, para retirar lodos y sólidos gruesos como lanas y piedra pómez, para asegurar una muestra homogénea y que la medición de turbiedad fuera confiable, simulando así la forma 83
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 esquemático del montaje experimental
Figura 5. Modelo de reactor de electrocoagulación utilizado con electrodos bipolares en serie.
84
Foto 1. Montaje experimental.
Fuente: tomada por Maria Catalina Bermúdez. Medellín. 2006.
Los resultados experimentales obtenidos se observan en las Tablas 23. y 24.
85
Tabla 23. Resultados experimentales de la primera réplica. Réplica 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Voltaje
Distancia entre Placas
Material del ánodo
Tiempo de retención
Número de placas
pH
V 10 20 20 20 10 10 20 10 20 10 20 20 10 10 10 20
Cm 1.5 1.5 0.7 0.7 0.7 1.5 1.5 0.7 0.7 0.7 1.5 1.5 1.5 1.5 0.7 0.7
Aluminio Hierro Hierro Aluminio Hierro Hierro Aluminio Hierro Aluminio Aluminio Hierro Aluminio Aluminio Hierro Aluminio Hierro
min 10 10 10 5 5 10 5 10 10 5 5 10 5 5 10 5
6 6 2 2 2 2 6 6 6 6 2 2 2 6 2 6
4.59 6.00 5.14 4.94 3.57 3.41 5.28 4.97 6.22 3.98 4.3 5.07 3.61 3.53 5.58 5.92
86
Conductividad Turbiedad mS/cm 2.03 1.986 2.02 2.04 2.16 2.21 2.05 2.05 2.01 2.04 2.14 2.06 2.16 2.23 2.03 1.992
NTU 212 187 55 61 195 197 162 166 94 187 65 72 233 283 68 204
Tabla 24. Resultados experimentales de la segunda réplica. Distancia entre Material del Tiempo de Réplica Voltaje Placas ánodo retención V Cm min 2 20 1.5 Hierro 10 2 20 0.7 Hierro 10 2 20 0.7 Aluminio 5 2 10 0.7 Hierro 5 2 10 1.5 Hierro 10 2 20 1.5 Aluminio 5 2 10 0.7 Hierro 10 2 20 0.7 Aluminio 10 2 10 0.7 Aluminio 5 2 20 1.5 Hierro 5 2 20 1.5 Aluminio 10 2 10 1.5 Aluminio 5 2 10 1.5 Hierro 5 2 10 0.7 Aluminio 10 2 20 0.7 Hierro 5 2 10 1.5 Aluminio 10
87
Número de placas 6 2 2 2 2 6 6 6 6 2 2 2 6 2 6 6
pH 5.78 4.64 5.09 3.32 5.72 5.84 5.96 6.79 3.97 4.88 5.75 4.05 4.09 5.93 6.20 4.59
Conductividad Turbiedad mS/cm 1.986 2.04 2.05 2.27 2.06 2.04 2.02 2.02 2.12 2.07 2.06 2.07 2.06 2.05 2.04 2.03
NTU 219 52 133 191 109 146 217 103 210 138 73 257 457 84 196 212
5.3 ANÁLISIS DEL DISEÑO DE EXPERIMENTOS
El análisis de experimentos que se presenta a continuación 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 cuáles 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. También se presentan los efectos de interacción que permiten hacer una interpretación de la dependencia de dos factores, es decir de como interactúa 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 ésta sobre el fenómeno. Es importante aclarar que los modelos que aquí se presentan son estadísticos y hacen referencia a la región experimental con la que se trabaja, por tanto no es aconsejable extrapolarlos ni considerarlos un modelo que explique la fenomenología 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 según el Decreto 475 de 1998 [65] ó si se requiere el cumplimiento de los parámetros de descarga de aguas residuales según 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 electrocoagulación 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.
- Análisis 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 interacción es significativo y tiene importancia sobre el pH.
88
Tabla 25. Anova para pH Fuente
Suma de Cuadrados
A: Voltaje B: Distancia entre placas C: Material del ánodo D: Tiempo de retención E: Número de placas AD AE BD CD CE Bloques Error total Total
8.0802 0.73205 0.702112 6.53411 2.88 2.30051 1.46205 0.127512 0.25205 0.891112 1.70201 3.29628 28.96
Grados de libertad 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 20 31
Mean F-Ratio Square 8.0802 0.73205 0.702112 6.53411 2.88 2.30051 1.46205 0.127512 0.25205 0.891112 1.70201 0.164814
49.03 4.44 4.26 39.65 17.47 13.96 8.87 0.77 1.53 5.41 10.33
P-Value 0.0000 0.0479 0.0522 0.0000 0.0005 0.0013 0.0074 0.3895 0.2305 0.0307 0.0044
El modelo tiene valores de R2 88.6178%, R2 ajustado 83.1978% y el error estándar de estimación es 0.405973. R2 indica que el modelo explica el 88.6178% de la variabilidad del pH. R2 ajustado se usa cuando hay muchos términos en el modelo (porque en estos casos R2 se incrementa artificialmente), en este caso es 83.1978% lo cual muestra que el modelo simula de forma muy apropiada el comportamiento de los datos.
Gráfica 5. Diagrama de Pareto Estandarizado para pH
A D E AD AE CE B C CD BD
+ -
0
2
4
6
Efecto Estandarizado 89
8
En la Gráfica 5. se presenta el diagrama de pareto estandarizado para pH que muestra cada uno de los factores estimados en orden decreciente de magnitud, la longitud de cada barra es proporcional al efecto estandarizado, que es el efecto estimado dividido su error estándar. La línea vertical se emplea para estimar cuales efectos son estadísticamente significativos, cualquier barra que cruce la línea corresponde a un efecto estadísticamente significativo con un nivel de confianza del 95%, en este caso los factores significativos son voltaje, tiempo, número de placas, y las interacciones dobles de voltaje con el tiempo y con el número de placas, adicionalmente la interacción del material con el número de placas. La distancia entre placas también tiene un efecto significativo (p-value menor a 0.5) pero no es comparable con los demás efectos.
Coeficiente de regresión. En la Tabla 26. se encuentran los coeficientes de regresión para el modelo estadístico aproximado de pH mientras que la ecuación que describe el modelo se presenta a continuación.
pH = -0.393594 + 0.261375 A + 0.0953125 B + 0.118125 C + 0.571937 D 0.34125 E - 0.02145 AD + 0.04275 AE - 0.063125 BD - 0.0355 CD + 0.166875 CE Los valores de las variables en la ecuación son especificados en sus unidades originales, excepto para los factores categóricos que toman el valor de -1 para el nivel bajo y de +1 para el nivel alto... Véase Tabla 20...
Tabla 26. Coeficientes estimados de regresión del modelo matemático de pH Coeficiente Estimado Constante -0.393594 A: Voltaje 0.261375 B: Distancia entre placas 0.0953125 C: Material 0.118125 D: Tiempo 0.571937 E: Número de placas -0.34125 AD -0.02145 AE 0.04275 BD -0.063125 CD -0.0355 CE 0.166875
90
- Análisis gráfico de datos. A continuación se presentan las gráficas y el análisis de los efectos e interacciones binarias estadísticamente significativas de la variable respuesta pH.
De las Gráfica 6., 7. y 8. se encuentra que el voltaje óptimo es 20V, se deben utilizar 6 placas y el tiempo de retención debe ser máximo (10 min.) para obtener un valor de pH entre 5 y 9. [63, 65]
Gráfica 6. Efecto A para pH 5.6
5.49
5.4
pH
5.2 5 4.8 4.6 4.4
4.485 10
Voltaje
20
Gráfica 7. Efecto D para pH 5.5
5.43938
5.3
pH
5.1 4.9 4.7 4.5
4.53562 5
Tiempo de Retención
91
10
Gráfica 8. Efecto E para pH 5.4
5.2875 pH
5.2 5
4.8
4.6875 4.6
2
Número de Placas
6
La interacción voltaje-tiempo que se observa en la Gráfica 9. muestra que para alcanzar el rango de pH esperado es necesario mantener el voltaje en 20V ó el tiempo en 10 min., si alguno de los factores cumple estas condiciones el pH alcanza valores entre 5 y 9. El valor óptimo de pH se obtiene al combinar ambos factores y es importante saber que con solo tener uno de ellos alto puede suplir al otro en sus funciones pero tenerlos en sus valores mínimos no es nada recomendable. Para un tiempo de 10 min. el efecto del voltaje sobre el pH es menos significativo que para un tiempo de 5 min.
Gráfica 9. Interacción AD para pH
5.7
PH
5.3
10 min 5 min
10 min
4.9 4.5 4.1 3.7
5 min
10
Voltaje (V)
92
20
La interacción voltaje-número de placas que se observa en la Gráfica 10. muestra que el voltaje es un factor determinante y debe ser máximo (20V) si se quieren obtener valores de pH entre 5 y 9. El efecto del voltaje además es pronunciado cuando se usan 6 placas. Entonces como ya se encontró anteriormente para alcanzar un pH que se encuentre dentro del rango permitido se requieren 6 placas y 20V.
Gráfica 10. Interacción AE para pH 6.1
6 Placas
5.8 PH
5.5 5.2 2 Placas
4.9 4.6 4.3
6 Placas 2 Placas 10
Voltaje (V)
20
En la Gráfica 11. se presenta la interacción de material con número de placas, donde se muestra que el material que se usa solo es determinante en el caso en que se usen 2 placas, pero si se usan seis placas se puede optar por el material más conveniente desde el punto de vista económico.
Gráfica 11. Interacción CE para pH
5.5 5.3 pH
5.1 4.9
6 Placas
6 Placas 2 Placas
4.7 4.5 4.3
2 Placas Aluminio
Material Placas
93
Hierro
En las Gráficas 12. y 13. se presentan los efectos distancia entre placas y material del ánodo respectivamente, se encuentra que con ánodos de aluminio y una distancia entre placas de 0.7cm, se obtiene un pH entre el rango permitido.
Gráfica 12. Efecto B para pH 5.2
5.13875 pH
5.1 5
4.9
4.83625 4.8
0.7
1.5
Distancia entre Placas (cm)
Gráfica 13. Efecto C para pH 5.2
5.13563 pH
5.1 5
4.9
4.83937 4.8
Aluminio
Hierro Material ánodo
En la Gráfica 14. se observan un diagrama de todos los efectos que son estadísticamente significativas para la variable respuesta pH, de donde se concluye que el voltaje, el tiempo y el número de placas (los factores que influyen de forma determinante en el pH de acuerdo con el diseño de experimentos) deberán estar en sus valores (+) para alcanzar un pH entre 5 y 9. Y por el contrario la distancia entre placas se debe minimizar. 94
Gráfica 14. Diagrama de efectos principales para pH 5.6 5.4
pH
5.2 5
4.8 4.6 4.4
B
A
C
D
E
En la Gráfica 15. se presenta un diagrama de todas las interacciones que no fueron eliminadas para realizar el análisis y se debe tener en cuenta que las interacciones BD y CD no son estadísticamente significativas para la variable respuesta pH pero sin embargo no fue necesario eliminarlas debido a que se obtuvo con ellas valores altos de R2 y R2 ajustado.
Gráfica 15. Diagrama de interacciones principales para pH
6.1
+
5.7 pH
5.3
+
+
+
-
+
+ -
4.9
-
+
4.5
-
-
-
+ + -
+
-
-
4.1 3.7
AD
AE
BD
CD
CE
- Optimización local. El objetivo de la optimización en este caso se maximizar localmente el pH en lugar de ajustarlo a un valor objetivo entre 5 y 9 [63, 65] porque en ésta zona de experimentación no se alcanzan valores de 7 unidades de
95
pH, entonces como se sabe que el pH alcanzado está por debajo del rango deseable se busca aumentarlo hasta el mayor valor posible. Sin importar el material de la placa se obtienen que para maximizar el pH los valores óptimos de los factores controlables se presentan la Tabla 27.
Tabla 27. Valores óptimos de los factores controlables para maximizar pH Factor Nivel mínimo Nivel máximo Óptimo Voltaje (V) 10 20 20 Distancia entre placas (cm.) 0.7 1.5 0.7 Material Aluminio Hierro Aluminio Tiempo (min.) 5 10 10 Número de placas 2 6 6
Los valores óptimos predichos son 20V, tiempo 10 min. y número de placas seis (igual que se predijo anteriormente los tres factores en +), la distancia entre placas de 0.7cm (también se analizó) y aluminio como material del ánodo. Para éste último factor se selecciona electrodos de aluminio para obtener las condiciones óptimas de operación con un valor predicho de pH de 6.47188 +/- 0.41 frente a un valor predicho de pH de 6.33188 +/- 0.41 obtenido al realizar el análisis con electrodos de hierro, consiguiéndose una diferencia porcentual de 2.163%. De acuerdo a lo anterior la utilización de hierro como material de las placas puede significar una reducción considerable de los costos de capital si se tiene en cuenta que el hierro tiene un precio en el mercado de 0.3 $US/Kg. mientras el aluminio un precio de 1.8 $US/Kg [15]. Sin embargo el objetivo de este proyecto es hallar el óptimo operativo del proceso por lo tanto este tipo de consideraciones no se tendrán presentes.
- Verificación de supuestos. Para un pH óptimo de 6.47188 se observa en la Gráfica 16. que no se presenta variabilidad en la medida. Los residuales no siguen un patrón definido lo que muestra que no existió un error sistemático en el modelo o en la realización del experimento.
96
Gráfica 16. Verificación de supuestos para pH 1
residual
0.6 0.2 -0.2 -0.6 -1 3.3
4.3
5.3
6.3
7.3
Predicción
5.3.2 Anova de conductividad. La conductividad es la medida de la habilidad de una solución acuosa para conducir una corriente eléctrica, ésta habilidad depende de la concentración, movilidad y valencia de los iones presentes. [3] Los procesos de la industria textil requieren agua de alta calidad especialmente libre de tintes, detergentes y sólidos suspendidos. Un tratamiento de purificación de aguas residuales con fines de reuso debe tener un mejor desempeño que lo exigido para tratar aguas según lo exigido en la normatividad colombiana, por lo tanto si se considera tratar los efluentes industriales con fines de reuso la conductividad del agua residual luego del tratamiento idealmente debe ser tan baja como sea posible debido a que la calidad del agua es de gran importancia para los sucesos del proceso de teñido. Las impurezas insolubles y sales de metales pesados que causan en el agua una alta conductividad, pueden causar considerables problemas durante el teñido, entre ellos se encuentra la formación de compuestos escasamente solubles de sales con colores aniónicos, ocasionando problemas de dispersión, filtrado, desigualación en la coloración, entre otros. Además facilita la formación de complejos estables con las moléculas del colorante, causando cambios en la tonalidad y pérdida de brillantez. Por lo tanto, se desea minimizar la conductividad para disminuir la concentración de cationes multivalentes, especialmente iones de calcio, de magnesio y sales de hierro, evitando que puedan interferir con el proceso de teñido. [4] - Análisis de varianza. La tabla de anova divide la variabilidad en Conductividad en distintos segmentos separados para cada uno de los efectos. Como se observa en la Tabla 28. cuatro de los efectos tienen valores de P-Value (significancia prefijada) inferiores a 0.05 indicando que los efectos de estos factores o
97
interacciones son significativos e influyen sobre la variable conductividad y que son significativamente diferentes de cero al 95,0% de nivel de confianza. El R2 obtenido del modelo es de 71.8221 %, que indica que el modelo explica el 71.8221% de la variabilidad de la conductividad. El R2 ajustado, el adecuado para la comparación de diferentes variables independientes, es 60.2947 %. Los experimentos realizados se ajustan a un modelo polinómico lineal con interacciones dobles en un 71.8221%, lo cual constituye un valor apropiado para realizar estimativos, porque se espera que las predicciones realizadas con él se encuentren relacionadas, al menos de forma aproximada con la realidad. El error estándar estimado es 0.0450617, este valor permite de manera aproximada establecer un intervalo de confianza para los resultados.
Se encuentra que el voltaje es el efecto principal seguido del tiempo de retención, número de placas y la interacción entre el voltaje y el material de las placas. Todos los efectos tienen un efecto negativo, es decir, el máximo se alcanza cuando éstos tienen su menor valor (cuando los factores son categóricos equivale al primero que se ingresó al programa estadístico). Como lo deseado es minimizar la conductividad los valores de estos factores principales deben estar en sus máximos.
Tabla 28. Anova para conductividad Suma de Grados de Fuente cuadrados libertad A: Voltaje 0.0303811 1 B Distancia entre placas 0.00262812 1 C: Material del ánodo 0.00702113 1 D: Tiempo de retención 0.0236531 1 E: Número de placas 0.0193061 1 AC 0.0107311 1 AD 0.00475313 1 CD 0.00300312 1 CE 0.00567113 1 Blocks 0.00154013 1 Total error 0.0426416 21 Total (corr.) 0.15133 31
98
Mean square F-Ratio P-Value 0.0303811 14.96 0.0009 0.00262812 1.29 0.2681 0.00702113 3.46 0.0770 0.0236531 11.65 0.0026 0.0193061 9.51 0.0056 0.0107311 5.28 0.0319 0.00475313 2.34 0.1409 0.00300312 1.48 0.2374 0.00567113 2.79 0.1095 0.00154013 0.76 0.3937 0.00203055
Gráfica 17. Diagrama de Pareto estandarizado para Conductividad
A D E AC C CE AD CD B
+ -
0
1
2
3
4
Efecto Estandarizado
Coeficiente de Regresión. En la Tabla 29. se encuentran los coeficientes de regresión para el modelo estadístico aproximado de conductividad.
Tabla 29. Coeficientes estimados de regresión del modelo matemático de conductividad. Coeficiente Estimado Constante 2.32733 A: Voltaje (V) -0.013475 B: Distancia entre placas (cm) 0.0226562 C: Material del ánodo 0.0988125 D: Tiempo de retención (min.) -0.0255 E: Número de placas -0.0245625 AC -0.0036625 AD 0.000975 CD -0.003875 CE -0.0133125
La ecuación que describe este modelo se presenta a continuación. Ésta ecuación, que representa la superficie que modela el experimento realizado, se utiliza para determinar el óptimo o cualquier otro valor sin necesidad de realizar los experimentos en estos puntos, aunque luego se realizará una corrida confirmatoria en estos puntos para verificar que lo predicho coincide con la realidad.
99
Conductividad = 2,32733 - 0,013475 A + 0,0226562 B + 0,0988125 C - 0,0255 D 0,0245625 E - 0,0036625 AC + 0,000975 AD - 0,003875 CD 0,0133125 CE
Los valores de las variables en la ecuación anterior son especificados en sus unidades originales, excepto los factores categóricos donde cada categoría toma los valores -1 para el nivel bajo y +1 para el nivel alto... Véase Tabla 20... A continuación se presentan los coeficientes de regresión para el modelo de conductividad.
- Análisis gráfico de datos. A continuación se analizan las gráficas de los efectos principales e interacciones binarias según su prioridad en el diagrama de pareto estandarizado para la variable respuesta conductividad. De las Gráficas 18., 19. y 20. se encuentra que para minimizar la conductividad el voltaje a usar es 20V, el tiempo de retención 10 minutos y el número de placas seis.
Gráfica 18. Efecto A para conductividad
Conductividad (mS/cm)
2,15 2,13 2,11 2,09938 2,09 2,07 2,05 2,03775
2,03 10,0
20,0
Voltaje (V)
100
Gráfica 19. Efecto D para conductividad 2,1
Conductividad (mS/cm)
2,09575
2,09 2,08 2,07 2,06 2,05 2,04138
2,04 5,0
10,0
Tiempo de retención (min)
Gráfica 20. Efecto E para conductividad
Conductividad (mS/cm)
2,1 2,09
2,09313
2,08 2,07 2,06 2,05 2,044
2,04 2
6
Numero de placas
De la Gráfica 21. se observa que para 20V el efecto del material del electrodo es menos significativo sobre la conductividad que para 10V. Para minimizar la conductividad a un voltaje óptimo de 20V debe elegirse hierro ya que además de tener un costo inferior se obtienen valores de conductividad menores, mientras que para 10V es necesario emplear aluminio. Además se observa que el proceso es estable a las variaciones de voltaje al emplear placas de aluminio (la pendiente 101
de la recta es menor que para hierro) mientras que si emplea hierro a bajos valores de voltaje la conductividad es considerablemente mayor que al emplear aluminio, por lo tanto si se trabaja a valores bajos de voltaje debe emplearse aluminio.
El material del electrodo no tiene incidencia apreciable sobre la conductividad como se aprecia en la Gráfica 22., ya que los resultados al usar aluminio y hierro son muy similares y solo discrepan en un 2.963%. Considerando lo antes analizado y teniendo en cuenta que prima el efecto de interacción AC ante el efecto individual C, como se indica en el diagrama de pareto, por lo tanto el material óptimo local es Hierro para minimizar la conductividad.
Conductividad (mS/cm)
Gráfica 21. Interacción AC para conductividad 2.15 Hierro
2.13 2.11 2.09 2.07
Aluminio
2.05 2.03
10
Voltaje (V)
Aluminio Hierro 20
Gráfica 22. Efecto C para conductividad
Conductividad (mS/cm)
2,09 2,08338 2,08
2,07
2,06 2,05375 2,05 Aluminio
Hierro
Material del anodo
102
Se observa en la Gráfica 23. que al emplear seis placas la incidencia del material de los electrodos no es significativa, mientras que al emplear dos placas es necesario emplear aluminio y aun así no se obtienen tan buenos resultados como al emplear seis placas con cualquiera de las dos categorías del material. El tratamiento óptimo local teniendo en cuenta que prima la interacción AC y que el efecto del material de los electrodos en este caso no es significativo, es hierro con seis placas. Se observa además que el proceso es muy sensible a cambios de material del electrodo al emplear dos placas mientras que al emplear seis placas el proceso es estable.
Conductividad (mS/cm)
Gráfica 23. Interacción CE para conductividad 2.14 2 Placas
2.12 2.1 2.08 2.06 2.04
2 Placas 6 Placas
6 Placas
Hierro Material de Placas
Aluminio
La interacción entre el voltaje y el tiempo es otro de los factores influyentes en la conductividad. En la Gráfica 24. se observa que al fijar el voltaje en un valor máximo conlleva a que el efecto del tiempo no sea significativo (la pendiente tiende a 0), sin embargo si se utiliza 10V para realizar la electrocoagulación (por limitaciones técnicas o económicas), es necesario tener tiempo de residencia cercano a 10 minutos (que igualmente es otro de los factores principales) para disminuir la conductividad del agua tratada.
103
Conductividad (mS/cm)
Gráfica 24. Interacción AD para conductividad
2.15
5 min
2.12 2.09 2.06
10 min
5 min
2.03
10 min
2
10
20.0 Voltaje (V)
Según la Gráfica 25. la incidencia del material del ánodo sobre la conductividad es mayor para un tiempo de 5 min. que para el tiempo de 10 min. y el proceso es estable cuando se trabaja a 10 min. de tiempo de retención mientras que para 5 min. de tiempo de retención la incidencia del material es muy importante. El tratamiento ganador es 10 min. y aluminio.
Conductividad (mS/cm)
Gráfica 25. Interacción CD para conductividad 2.13 5 min 2.11 2.09 2.07
5 min
2.05 2.03
10 min 10 min hierro Material de ánodo
Aluminio
104
En la Gráfica 26. se observa que para obtener la menor conductividad se debe utilizar una distancia entre placas de 0.7 cm. aunque cabe anotar que éste factor no es muy significativo sobre la conductividad.
Conductividad (mS/cm)
Gráfica 26. Efecto B para conductividad 2.08
2.07763
2.075 2.07 2.065 2.06
2.0595
2.055 2.05 0.7
1.5
Distancia entre placas (cm)
Según la Gráfica 27. el voltaje, el tiempo y el número de placas (los factores que influyen de forma determinante en la conductividad de acuerdo con el diseño de experimentos) deberán estar en sus valores (+) para minimizar la conductividad.
Conductividad (mS/cm)
Gráfica 27. Diagrama de efectos principales para conductividad
2.11 2.09 2.07 2.05 2.03
A
C
B
105
D
E
El diagrama de interacciones estadísticamente significativas para la variable respuesta conductividad se presenta en la Gráfica 28.
Conductividad (mS/cm)
Gráfica 28. Interacciones principales para la conductividad
2.15 +
-
-
+
-
-
2.12 2.09 2.06
-
+
+ +
-
-+
2.03
-
+
+
2 AC
AD
CD
CE
- Optimización local. El objetivo de la optimización local a continuación es lograr la conductividad del efluente sea mínima. La combinación de los niveles de los factores que minimizan la conductividad se presentan en la Tabla 30.
Tabla 30. Valores óptimos de los factores para conductividad. Factor Nivel mínimo Nivel máximo Voltaje 10 20 Distancia entre placas (cm.) 0,7 1,5 Material del ánodo Aluminio Hierro Tiempo de retención (min.) 5,0 10,0 Número de placas 2 6
Óptimo 20 0,7 Hierro 10,0 6
El valor óptimo de conductividad dentro de la región experimental es 1,96263 +/- 0.045 mS/cm. El valor óptimo predicho se encuentra para los niveles de los factores voltaje 20, tiempo 10 y número de placas seis (igual que se predijo anteriormente los 3 factores en +), el material usado debe ser hierro (1) y la distancia entre placas de 0.7 cm para obtener la conductividad mínima. Este tratamiento propuesto no se realizó durante el diseño de experimentos por que el diseño empleado es un 2k-p y algunos de los extremos no se incluyen en los tratamientos.
106
La conductividad es un parámetro difícil de controlar en condiciones de trabajo reales ya que su valor depende de depende de la concentración, movilidad y valencia de los iones presentes. [3] es decir depende de las sales, ácidos y bases que se empleen en los diferentes lavados y enjuagues. Además para lograr remociones de conductividad en un efluente se requiere de tratamientos complejos como la electrocoagulación o la osmosis inversa comparado con la adición química requerida para lograr una variación en el pH o con los procesos de filtración y sedimentación empleados para disminuir la turbiedad en el agua.
- Verificación de supuestos. Para una conductividad mínima de 1.96263 mS/cm se observa en la Gráfica 29. que los residuales no siguen un patrón definido por lo tanto no existió un error sistemático en el modelo o en la realización del experimento.
Gráfica 29. Verificación de supuestos para conductividad 0.09
residual
0.06 0.03 0 -0.03 -0.06 -0.09 1.9
2
2.1
2.2
2.3
Predicción 5.3.3 Anova de turbiedad. La claridad del agua es importante para productos destinados para consumo humano y en muchas operaciones de manufactura. La turbiedad es la expresión de la propiedad óptica que causa que los rayos de luz sean dispersados y absorbidos en lugar de ser transmitidos sin cambio de dirección a través de la muestra, en el agua es causada por material coloidal y suspendido como materia inorgánica e inorgánica finamente dividida, lodos y microorganismos entre otros. Correlacionar la turbiedad con el tamaño y con la concentración de las partículas de material suspendido es difícil debido a que el tamaño, forma y el índice de refracción de las mismas afecta las propiedades de dispersión de la luz en la suspensión. [3]
107
La turbidez, es un componente estético de la calidad del agua y bajos niveles de color y turbidez son importantes para muchas industrias, entre ellas la industria textil, donde las aguas normalmente tratadas tienen valores de turbidez por debajo de 1NTU. [4] La turbidez tiene una gran importancia sanitaria, ya que refleja una aproximación del contenido de materias coloidales, minerales u orgánicas, por lo que puede ser indicio de contaminación. La turbidez del agua se genera por la presencia de partículas en suspensión. La velocidad de sedimentación de las partículas pequeñas (menores al micrón de diámetro) es muy baja, por lo que requieren tratamiento para lograrla en tiempos útiles. [7] Como se mencionó anteriormente el agua requerida en los procesos de la industria textil debe tener características similares a la de agua potable [5, 65] y los vertimientos deben cumplir con la normatividad vigente en cada país, y por lo tanto según el Decreto 475 de 1998 para agua potable y para descarga efluentes de la turbiedad debe tener una valor máximo a 5 NTU y no hay un rango legislado en el Decreto 1594 de 1984.
- Análisis de Varianza. En la Tabla 31. se divide la variabilidad en turbiedad en distintos segmentos separados para cada uno de los efectos. Para este caso, ocho de los efectos tienen valores de P-Value (significancia prefijada) menores que 0.05 que indican que el efecto del factor o de la interacción es significativo y tiene importancia sobre la turbiedad. El R2 obtenido es 87.9336%, e indica que este modelo se ajusta y explica el 87.9336% de la variabilidad de turbiedad. El R2 ajustado se usa cuando hay varios términos en el modelo (porque en estos casos R2 se incrementa artificialmente), y es 83.7366% lo cual muestra que el modelo simula de forma muy apropiada el comportamiento de los datos. El error estándar de estimación es 34.8054.
En la Gráfica 30. se presenta el diagrama de pareto estandarizado para turbiedad, allí se observa que los factores significativos en el caso de la turbiedad son: voltaje, número de placas, tiempo de retención, distancia entre placas y material (todos los factores fueron significativos en este caso). Las interacciones dobles importantes son la interacción del material - número de placas, voltaje – tiempo de retención y voltaje - distancia entre placas.
108
Tabla 31. Anova para la turbiedad.
50721.1 18145.1
Grados de Libertad 1 1
13944.5 33930.1 56832,8 5886.13 9180.13 12246.1 3042.0 26651.1 220871.
1 1 1 1 1 1 1 22 31
Suma de Cuadrados
Fuente A: Voltaje B: Distancia entre placas C: Material del ánodo D: Tiempo de retención E: Número de placas AB AD CE Bloques Total error Total (corr.)
Mean Square
F-Ratio P-Value
50721.1 18145.1
41.87 14.98
0.0000 0.0008
13944.5 33930.1 56832,8 5886.13 9180.13 12246.1 3042.0 1211.41
11.51 28.01 65,39 4.86 7.58 10.11 2.51
0.0026 0.0000 0,0000 0.0383 0.0116 0.0043 0.1273
Gráfica 30. Diagrama de pareto estandarizado para turbiedad
A E D B C CE AD AB
+ -
0
2
4
6
8
Efecto Estandarizado
- Coeficiente de Regresión. Los coeficientes de regresión para el modelo de Turbiedad se presentan en la Tabla 32.
109
Tabla 32. Coeficientes estimados de regresión del modelo matemático de turbiedad. Coeficiente Estimado Constante 354.5 A: Voltaje (V) -10.6656 B: Distancia entre placas (cm) 161.25 C: Material del ánodo 20.875 D: Tiempo de retención (min.) -33.35 E: Número de placas 38.375 AB -6.78125 AD 1.355 CE 19.5625
La ecuación que describe el modelo estadístico aproximado es:
Turbiedad = 354.5 - 10.6656 A + 161.25 B + 20.875 C - 33.35 D + 38.375 E 6.78125 AB + 1.355 AD + 19.5625 CE
Los valores de las variables del modelo son especificadas en sus unidades originales, excepto para los factores categóricos que toman el valor de -1 para el nivel bajo y de +1 para el nivel alto...Véase Tabla 20... Está ecuación representa la superficie que modela el experimento realizado, y se usa para determinar el óptimo y demás valores que sean necesarios sin necesidad de realizar los experimentos en estos puntos, aunque luego se debe hacer una corrida confirmatoria en estos puntos para verificar que lo predicho coincide con la realidad.
- Análisis gráfico de datos. A continuación se presentan las gráficas y el análisis de los efectos e interacciones binarias estadísticamente significativas de la variable respuesta turbiedad.
De las Gráficas 31. a 35 de los efectos individuales principales A, E, D, B y C se observa que para minimizar la turbiedad se debe usar 20V, dos placas con ánodo de aluminio separados 0.7 cm. y un tiempo recomendado de 10 min.
110
Gráfica 31. Efecto de A para la turbiedad
Turbidez (NTU)
220 200
202.125
180 160 140
122.5 20.0
120
10.0 Voltaje (V)
Gráfica 32. Efecto E para la turbiedad
Turbidez (NTU)
220
200.688
200 180 160 140 120
123.938 6
2 Número de Placas
Gráfica 33. Efecto D para turbiedad
Turbidez (NTU)
200
194.875
180 160 140
129.75 120
5.0
10.0 Tiempo (min)
111
Gráfica 34. Efecto B para turbiedad
Turbidez (NTU)
190
186.125
180 170 160 150 140
138.5
130
1.5 0.7 Distancia entre Placas (cm)
Gráfica 35. Efecto C para turbiedad
Turbidez (NTU)
190
183.188
180 170 160 150 140
141.438 Aluminio
Hierro Material de Placas
Gráfica 36. Interacción CE para turbiedad
Turbidez (NTU)
270 6 Placas
240 210 180 150 120
6 Placas 2 Placas
2 Placas
Aluminio Hierro Material del ánodo
112
La interacción de material con número de placas, que se ilustra en la Gráfica 36., muestra que el material del ánodo solo es determinante en el caso de utilizar seis placas, aunque si se emplean dos placas se puede optar por el material de menor costo (contrario a lo que ocurrió con pH por lo tanto en la optimización multirespuesta la elección del material es un factor crucial, sin embargo el aluminio en los casos anteriores constituía una buena opción porque su efecto no era significativo). Teniendo en cuenta la Gráfica 36. el aluminio y dos placas es la opción adecuada. Si se requiere un proceso muy estable emplear dos placas para mantener la turbiedad en un valor fijo sin importar los cambios que sufra el material de los electrodos. La interacción voltaje-tiempo en la Gráfica 37. muestra que es necesario para minimizar la turbiedad mantener el voltaje en 20V o el tiempo en 10 min., con uno de los dos factores en éstos niveles la turbiedad alcanza valores cercanos a 140 NTU, mientras el valor óptimo se obtiene al combinar ambos factores (es importante saber que con solo tener uno de ellos alto puede "suplir" al otro en sus funciones sin embargo tenerlos en sus valores mínimos no es nada recomendable).
Gráfica 37. Interacción AD para turbiedad
280
5,0 min
Turbidez (NTU)
250 220 190 160
10,0 min 5,0 min
130
10,0 min
100 10,0
20,0 Voltaje (V)
La Gráfica 38. ilustra la interacción voltaje-distancia entre placas y muestra que un voltaje cercano a 20V minimiza la turbiedad, y la distancia entre placas se debe mantener mínima para evitar que variaciones en el voltaje alteren de manera significativa la turbiedad. 113
Gráfica 38. Interacción AB para turbiedad
Turbidez (NTU)
260 230
1.5 cm
200 170
0.7 cm
140
1.5 cm 0.7 cm
110
10.0 20.0 Voltaje (V)
- Optimización local. El valor óptimo local de turbiedad que puede alcanzarse es 56.9375 NTU. La Tabla 33. presenta la combinación de los niveles de los factores que minimizan la turbiedad.
Tabla 33. Valores óptimos de los factores controlables para maximizar pH Factor Nivel mínimo Nivel máximo Óptimo Voltaje (V) 10,0 20,0 20,0 Distancia entre placas (cm.) 0,7 1,5 0,7 Material del ánodo Aluminio Hierro Aluminio Tiempo de retención (min.) 5,0 10,0 10,0 Número de placas 2 6 2
- Verificación de supuestos. Para la predicción de turbiedad de 56.9375 NTU se presenta una variabilidad de 6.1 y -6.1. Los residuales no siguen un patrón definido como se observa en la Gráfica 39. lo que comprueba que no existió un error sistemático en el modelo o en la realización del experimento.
114
Gráfica 39. Verificación de supuestos para turbiedad
residual
80 40 0 -40 -80 0
100
200
300
400
500
Predicción 5.4 OPTIMIZACIÓN MULTIRESPUESTA
5.4.1 Región experimental. Durante la experimentación los valores de conductividad oscilan en un rango muy estrecho (debido a las unidades), mientras que la turbiedad oscila entre valores más amplios. En la Tabla 34. se presentan los valores entre los cuales oscilan las variables respuesta.
Tabla 34. Rango de las variables respuesta. Variable de respuesta Mínimo observado Conductividad (mS/cm.) 1.986 Ph 3.32 Turbiedad (NTU) 52.0
Máximo observado 2.27 6.79 457.0
5.4.2 Óptimos individuales. Los resultados de los valores óptimos locales para cada una de las variables respuestas se resumen en la Tabla 35. y los niveles óptimos de los factores controlables en cada uno de los análisis individuales (locales) se presentan en la Tabla 36.
115
Tabla 35. Predicciones de los valores óptimos individuales de las variables respuesta Variable respuesta Unidades Predicción Conductividad mS/cm 1.96263 pH Unidades de pH 6.47188 Turbiedad NTU 56.9375
Tabla 36. Factores para cada uno de los óptimos individuales Óptimo de Factor Óptimo de pH conductividad Voltaje (V) 20 20 Distancia entre placas (cm.) 0.7 0.7 Material Hierro Aluminio Tiempo (min.) 10 10 Número de placas 6 6
Óptimo de turbiedad 20 0.7 Aluminio 10 2
5.4.3 Análisis previo a la optimización múltiple. Para llevar a cabo la optimización múltiple es necesario tener en cuenta que la solución óptima es una solución compromiso donde todas las respuestas cumplan de la mejor manera posible con las especificaciones operativas deseadas. Además se debe tener en cuenta que la importancia de los factores varía según la aplicación y por lo tanto no es apropiado realizar una optimización con los tres modelos únicamente, sino que es necesario darles un impacto a cada uno de ellos para conseguir el objetivo buscado. Las variables respuesta más críticas en este caso son la conductividad y la turbiedad, que presentan una semejanza en los niveles óptimos de los factores a emplear en el proceso de electrocoagulación con excepción del material y el número de placas. Entre dichos factores se presenta un antagonismo, por lo tanto hay que decidir cual variable es más importante optimizar (lo que depende de la aplicación y la necesidad de cada usuario). Entonces el número óptimo de placas debe seleccionarse teniendo en cuenta que si optimizar la conductividad es igual de importante que optimizar la turbiedad es posible que se requieran cuatro placas. En el método de optimización mediante la maximización de la función de deseabilidad (método a aplicar), el impacto permite balancear la importancia relativa de las respuestas, es decir, que tan importante es la variable respuesta comparada con las demás. Mientras que los pesos se eligen con la deseabilidad individual (deseabilidad del intervalo), esto es importante para que la variable de respuesta alcance el valor objetivo o valores cercanos.
116
5.4.4 Optimización múltiple. Para realizar la optimización múltiple se debe determinar que variables son críticas en el proceso y cuantificar dicha importancia mediante el peso y el impacto. Los valores seleccionados para el peso y el impacto de las variables de respuesta se presentan en la Tabla 37. y se seleccionaron según la facilidad técnica de modificarlas, es decir el pH es una variable que se puede manipular de manera menos costosa por adición química y es menos crítica en los procesos textiles mientras que para modificar la turbiedad y la conductividad es necesario diluir o emplear otros métodos complejos.
Tabla 37. Peso e impacto de las variables respuesta. Variable de respuesta Peso Conductividad 1 pH 0.1 Turbiedad 1
Impacto 1 1 5
Los valores óptimos operativos de los factores controlables según el peso y el impacto de las variables respuesta son los presentados en la Tabla 38.
Tabla 38. Valores óptimos de los factores controlables. Factor Nivel mínimo Nivel máximo Voltaje (V) 10 20 Distancia entre placas (cm.) 0.7 1.5 Material Aluminio Hierro Tiempo (min.) 5 10 Número de placas 2 6
Óptimo 20 0.7 Aluminio 10 2
Se debe tener en cuenta que para obtener una rata de operación de disolución del metal óptima se requiere el uso de electrodos con la mayor área superficial posible [66] según lo anterior debería escogerse seis placas y por el contrario el óptimo son dos placas, esto se debe a que se dio mayor importancia a la optimización de la turbiedad. De acuerdo con los valores óptimos de los factores se obtienen con una deseabilidad de 95.8242% las predicciones de la Tabla 39. Comparando los valores de la Tabla 39. respecto a los óptimos individuales se observa que la conductividad es 3.8% mayor que los resultados individuales obtenidos, el pH es 10.7% menor respecto al valor reportado en la Tabla 35., y la turbiedad es igual a los resultados individuales porque equivale al mismo punto experimental 117
Tabla 39. Predicción de las variables respuesta. Variable de respuesta Conductividad (mS/cm) pH Turbiedad (NTU)
5.5
Óptimo 2.03813 5.77813 56.9375
ANÁLISIS DE RESULTADOS
5.5.1 Ensayo de verificación. Para el primer ensayo de verificación se empleó una muestra de agua textil de varios procesos de lavado y teñido que se llevan a cabo en una lavandería industrial, y las características principales del efluente se presentan en la Tabla 40.
Tabla 40. Características principales del ARI empleada en el ensayo de verificación. Parámetro Valor pH 5 Conductividad 1.53 mS/cm
Se observa que el efluente tiene baja conductividad y según lo encontrado en la literatura en un proceso de electrocoagulación 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 a tratar sea máxima [11] y de experiencias anteriores se encontró que para conductividades bajas el proceso de electrocoagulación no se llevó a cabo de forma exitosa ...Véase numeral 6.5.2... Para lograr valores de conductividad similares o mayores al valor presentado en la Tabla 22. se adicionó a la muestra aproximadamente 3 mL de una solución de HNO3 al 65%, ésta solución es empleada en algunos procesos como regulador de pH de efluentes en la industria textil. Con ésta modificación se logra al mismo tiempo disminuir el pH del efluente, cabe recordar que los vertimientos provenientes de la industria textil tienden a ser muy variables en términos de volumen y composición [5] y por esto se requiere este tipo de ajustes en el ensayo de verificación para llevar a cabo el proceso de electrocoagulación y obtener así resultados cercanos a los esperados. En la Tabla 41. se resumen las características del efluentes industrial del ensayo de verificación luego de modificada la conductividad y el pH, y se especifican los métodos empleados para cada determinación [3] ...Véase Anexos A. y B. ... En el ensayo de verificación se incluyen otros parámetros de caracterización de aguas
118
residuales diferentes a las variables respuestas estudiadas, con el fin de observar el efecto general del proceso de electrocoagulación sobre éstos. La conductividad del efluente modificado con la solución ácida, valor presentado en la Tabla 41., es un 49.8% mayor respecto al valor de la muestra de agua residual empleada en los experimentos anteriores, mientras el pH tiene un valor similar al presentado en la Tabla 22.
Tabla 41. Caracterización del efluente modificado. Análisis Método Unidades pH SM-4500-B Unidades de pH Alcalinidad Total SM-2320-B mg CaCO3/L DBO5 SM-5210 mg O2/L DQO SM-5220 mg O2/L Detergentes SM-5540-C mg SAAM/L Dureza total SM-3500 mg CaCO3/L Turbiedad SM-2130-B NTU Aluminio SM-3500-Al mg Al/L Cobre
SM-3500-Cu mg Cu/L
Cromo
SM-3500-Cr
Hierro Manganeso Conductividad
SM-3500-Fe mg Fe/L SM-3500-Mn mg Mn/L SM- 2510-B mS/cm
mg Cr/L
Resultado 2.442 Menos de 9.0 64.7 221 1.38 251.383 53.0 1.195 Menos de 0.006 Menos de 0.070 0.759 0.922 3.79
Incertidumbre 0.16 1.4 14.0 25 0.14 0.368 2.8 0.272 0.210 0.126 0.042 0.068 -
Luego de tratar el efluente modificado de la misma manera que se llevaron los experimentos anteriores y aplicando los niveles de los factores de la Tabla 38., se obtuvo un efluente cuya caracterización se presenta en la Tabla 42.
Los análisis reportados en las Tablas 41. y 42. se llevaron a cabo en el laboratorio acreditado por el IDEAM del Grupo de Investigaciones Ambientales de la UPB.
Al agua tratada se le adicionó luego de efectuar las medidas de pH y conductividad 1 ml de HNO3 al 65% hasta alcanzar un pH de 2.592 para preservar los metales para su posterior análisis.
119
Tabla 42. Características del agua tratada en el ensayo de verificación. Análisis Método Unidades Resultado Incertidumbre pH SM-4500-B Unidades de pH 3.668 0.16 Alcalinidad Total SM-2320-B mg CaCO3/L Menos de 9.0 1.4 DBO5 SM-5210 mg O2/L 19.6 5.0 DQO SM-5220 mg O2/L 134.0 20.4 Detergentes SM-5540-C mg SAAM/L 0.41 0.04 Dureza total SM-3500 mg CaCO3/L 195.471 0.368 Turbiedad SM-2130-B NTU 4.0 0.3 Aluminio SM-3500-Al mg Al/L 7.000 0.272 Cobre SM-3500-Cu mg Cu/L 0.06 0.210 Cromo SM-3500-Cr mg Cr/L 4.126 0.126 Hierro SM-3500-Fe mg Fe/L 10.600 0.042 Manganeso SM-3500-Mn mg Mn/L 1.021 0.068 Conductividad SM- 2510-B mS/cm 3.04 -
La remoción de color es una de las variable más importantes para el reuso y la reutilización del agua en la industria textil ya que es un componente estético de la calidad del agua y bajos niveles de color son importantes en la industria textil donde la remoción de color se alcanza normalmente por los procesos de coagulación, floculacion, sedimentación (o flotación) y filtración. Las fuentes de color en el agua pueden incluir iones metálicos naturales como hierro y manganeso y materiales de turbidez. [4]
Cualitativamente se observa durante el proceso de verificación una excelente remoción de color después del tratamiento, durante la experimentación los electrodos de aluminio causan un cambio del color de las aguas de azul a verde y por último se observa una ligera tonalidad amarilla que es provocada por el aumento del contenido de hierro y manganeso y a residuos de tintes.
En la Foto 2. se observa la coloración de las aguas residuales antes del proceso de electrocoagulación y después del proceso de electrocoagulación, a simple vista se observa que hubo un gran porcentaje del color azul debido a la electrocoagulación.
120
Foto 2. Comparativo de remoción de color entre el agua sin tratar y tratada
1
2
Fuente: tomada por Maria Catalina Bermúdez. Medellín. 2006.
Como ensayo preliminar para investigaciones siguientes se adiciona carbón activado a 100 ml de muestra tratada con el fin de remover el color. En la Foto 3. se observan el agua sometida al tratamiento de electrocoagulación que corresponde a la muestra 1 (la izquierda de la imagen) y a la derecha de la imagen se observa la muestra 2 a la cuál posteriormente se le adiciona carbón activado desapareciendo en su totalidad cualquier tonalidad amarilla visible.
Foto 3. Comparativo de aguas tratadas.
2
1
Fuente: Tomada por Maria Catalina Bermúdez. Medellín. 2006.
121
Durante el proceso de electrocoagulación se generan dos tipos de lodos que corresponden a una suspensión de partículas finas en el fondo del reactor y a una formación de lodos espumosos en la parte superior del reactor tal como se observa en la Foto 4. Estos lodos por sus características son difíciles de remover y pueden representar un inconveniente tanto para vertimiento al ambiente como para su tratamiento, pueden requerir un coagulante como ayudante para el espesamiento y posterior separación.
Foto 4. Lodos generados en el proceso de electrocoagulación de aguas residuales de la industria textil.
Fuente: tomada por Maria Catalina Bermúdez. Medellín. 2006.
El tratamiento de aguas residuales requiere de bajos voltajes con un amperaje variable según las características de las aguas ya que si se trabaja a altos voltajes se produce una pérdida de energía por calentamiento del agua, durante los experimentos y el ensayo de verificación no se registraron aumentos de temperatura mayores a 2°C por lo tanto el nivel de voltaje empleado es el adecuado.
En la Tabla 43. se observan los porcentajes de remoción alcanzados en el ensayo de verificación de todos los parámetros reportados en las Tablas 41. y 42. y se 122
lleva a cabo un comparativo con la normatividad ambiental colombiana vigente para agua potable y de vertimientos. Los porcentajes de remoción negativos indican que el valor del parámetro en el efluente sin tratar incrementa después del proceso de electrocoagulación.
Tabla 43. Porcentajes de remoción de los diferentes parámetros obtenidos en el ensayo de verificación. Valor límite Valor límite según Análisis Unidades % Remoción según Decreto Decreto 1594 de 1984 475 de 1998 pH Unidades de pH -50.2 5a9 6.5 a 9 Alcalinidad Total mg CaCO3/L No legislado 100 >80% No legislado DBO5 mg O2/L 69.7 remoción DQO mg O2/L 39.4 No legislado No legislado Detergentes mg SAAM/L 70.3 No legislado 0.5 Dureza total mg CaCO3/L 22.2 No legislado 160 Turbiedad NTU 92.5 No legislado