Redalyc.Comparación entre la coagulación convencional y la ...
Transcript of Redalyc.Comparación entre la coagulación convencional y la ...
Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 27 núm. 2, 2012 101Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 14 núms.1-2,1999 101Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) 27(2): 101-110, 2012
Palabras clave: Remoción de fluoruros, electrocoagulación,coagulación,gradientedevelocidad
Keywords: Defluoridation,electrocoagulation,coagulation,velocitygradient
(Recibido:Enero10,2012Aceptado:Junio28,2012)*Autoraaquiendebedirigirselacorrespondencia
RESUMEN
Elconsumoprolongadodeaguaconconcentracionessuperioresa1.5mg/Ldefluoruros(F-),provocaseverospadecimientosenelorganismohumano tales comofluorosis dental y esquelética. EnMéxico esteproblemasepresentaprincipalmenteenlosestadosdelnorteycentrodel país. La electrocoagulación es una tecnología emergente que sevislumbracomounaalternativaparalaremocióndeF-.Enestetrabajosepresentanlosresultadosdeestudiosaescalalaboratorioenlosquesecomparaeldesempeñodelosprocesosdecoagulaciónquímicaconsalesdealuminio(CQ)ylaelectrocoagulaciónconelectrodosdealuminio(EC),pararemoverF-delaguadestinadaaconsumohumano.Tambiénse muestran los efectos del gradiente de velocidad de mezclado (G)dentrodelreactorelectroquímicoylaconductividadeléctricadelagua(CE),sobrelaeficienciaderemocióndeesteanión,utilizandoundiseñoestadísticodeexperimentostipofactorialadosniveles2K.LosresultadosmostraronquelaECcomparadaconlaCQadiferentescondicionesdeoperación (GyCE) tienemayoreficienciade remocióndeF- con lamismadosisdealuminio(Al+3)utilizadocomocoagulante.Paraagua
conunaconcentracióninicialdeF-entre3.3y3.5mg/L,aplicandounadosisde30mg/LdeAl+3,laeficienciaderemociónfuede56.6a72.5%paralaECyentre47.8a68.4%conCQ.LaECmostrólaventajadenoincrementarlaconcentracióndesólidosdisueltosenelaguatratada,asícomodeproducir21%menosvolumendelodosquelaCQ.Losresultadosdeldiseñoexperimentalrevelaron,almenosenelintervalodeestudio,quelascondicionesdeoperacióndelprocesodeECquefavorecenlaremocióndeF-sonvaloresdeGbajos(210s-1),mientrasquelaCEnotieneefectosignificativosobrelamisma.
ABSTRACT
Long-term consumption of water containing fluoride (F-) above1.5mg/L,can lead todentalandskeletalfluorosis. InMexico thisproblemoccursmainlyinthenorthernandcentralstatesofthecountry.Electrocoagulation(EC)isanemergingtechnologythatisperceivedasanalternative to theremovalofF-.Thispapercompares,at labscale,theperformanceofchemicalcoagulation(CQ)usingaluminumsaltsandECusingaluminumelectrodes toremoveF- fordrinkingwater.Alsotheeffectsofthemixingvelocitygradient(G)withintheelectrochemicalreactorandthewaterelectricalconductivity(CE)overF-removalefficiencyareshown.Operationconditionsweresetusingatwo-level2Kexperimentaldesign.Theresultsobtainedinexperimentswithdifferentoperationconditions(GandCE)showedthatwiththesamedoseofaluminum(Al+3)theECremoveF-moreefficientlythanCQ.ForwaterwithaninitialconcentrationofF-between3.3and3.5mg/L,usingadoseof30mg/LofAl+3,theremovalefficiencywas56.6to72.5%fortheECandfrom47.8to68.4%withCQ.TwootheradvantagesofECoverCQwereobserved:ECdoesnotincreasetotaldissolvedsolidsconcentration,soastoproduce21%lessvolumeofsludgethanCQ.Theresultsofexperimentaldesignrevealed,atleastintheintervalofstudy,thatlowGvalues(210s-1)enhanceF-removalefficiency,whiletheCEhasnosignificanteffectthereon.
Comparaciónentrelacoagulaciónconvencionalylaelectrocoagulaciónenlaremocióndefluorurosde
aguaparaconsumohumano
Comparisonbetweenconventionalcoagulationandelectrocoagulationinfluorideremovalfordrinkingwater
Fabián Almazán-García, María de Lourdes Rivera-Huerta*, Alejandra Martín-Domínguez
InstitutoMexicanodeTecnologíadelAgua,PaseoCuauhnáhuac8532,Col.Progreso,62550Jiutepec,Morelos,MéxicoTel.:+52(777)3293600.Fax:+52(777)3194381.Correo-e(e-mail):[email protected]
102 Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 27 núm. 2, 2012
INTRODUCCIÓN
Lapresenciadefluoruros(F-)enelaguadebebidaesbenéficaoperjudicialdependiendodelaconcentraciónen la que se presenta. La concentración óptima defluorurosseencuentraentre0.5y1.0mg/Ldebidoaqueenestascondicionessefavorecelacalcificacióndelostejidosdurosdelcuerpoylaprevencióndecariesdental.Sinembargo,concentracionesmayorespuedenprovocarfluorosisdentaloesquelética.Porestarazón,laOrganizaciónMundialde laSalud recomiendaunvalormáximode1.5mg/LdeF-enaguaparaconsumohumano(WHO,2011)y,conbaseenello,lanormativamexicana, a través de la NOM-127-SSA1-1994modificadaen2000(DOF,2000),estableceesemismovalorcomolímitepermisible.
En México existen varios cuerpos de aguasubterránea,localizadosprincipalmenteenlosestadosdeAguascalientes,BajaCalifornia,BajaCaliforniaSur,Coahuila,Chihuahua,Durango,Guanajuato,Guerrero,Jalisco,Michoacán,Morelos,Puebla,SanLuisPotosí,Sonora yZacatecas, que contienenF- por arriba de1.5mg/L(HurtadoyGardea,2004).EnlaTabla1semuestranlosvaloresmáximosreportadosenlosestadosantesmencionados y en el caso de que existamásdeunacuífero,se indicael intervaloentreelcualseencuentranlasconcentracionesmáximasenellos.Cabemencionarquelasfechasdelosanálisisvaríanentrelosaños1972y2007;sinembargo,hastaelmomentonosecuentaconinformaciónoficialmásreciente.
Tabla 1 Concentraciones de fluoruros registrados en fuentes de agua subterránea (Hurtado y Gardea, 2004)
Estado (Número de acuíferos con fluoruros fuera de NOM)
Concentración máxima de fluoruros reportada (mg/L)
Aguascalientes(1) 9.26BajaCalifornia(1) 7.92BajaCaliforniaSur(2) 1.7-2.42Coahuila(1) 6.97Chihuahua(10) 2.20–10.33Durango(2) 8.0–24.12Guanajuato(5) 3.67–13.10Guerrero(3) 1.96–53.11Jalisco(6) 1.70–9.5Michoacán(1) 7.00Morelos(1) 1.51Puebla(1) 10.70SanLuisPotosí(1) 20.0Sonora(3) 2.10–10.10Zacatecas(25) 1.52–11.38
Fuente: Datos proporcionados directamente por personal de la Subdirección General Técnica, Gerencia de Aguas Subterráneas de la Comisión Nacional del Agua (2007)
Pararemoverfluorurosdelaguahansidoestudiadasdiversas técnicas de tratamiento, entre ellas seencuentran los procesos de adsorción en alúminaactivadaocarbóndehueso,intercambioiónicoconresinas,precipitaciónconcalysalesdecalcio,asícomo coagulación con sales de aluminio. Dentrode las tecnologíasemergentespara la remocióndefluoruros se encuentra la electrocoagulación (EC),queesunavariantedelacoagulaciónquímica,conla diferencia que una corriente eléctrica generacationes polivalentes en el agua a tratar mediantelaoxidacióndeánodosdesacrificio(Mameriy col.,2001;MohammadyMuttucumaru,2006;Qianhaiycol.,2008).
Conelobjetivodeaportar informaciónacercadelpotencialdelaECpararemoverF-deaguadestinadaaconsumohumanoydesusventajasconrespectoalacoagulaciónconsalesmetálicasparaelmismofin,enesteestudiosecomparalaeficienciadeambosprocesos.Así mismo, se analizan los efectos del gradiente develocidad (G) en la etapa de coagulación y de laconductividad eléctrica (CE)del agua a tratar, en laeficienciaderemocióndefluoruros.
METODOLOGÍA
Preparación del agua utilizada
Entodoslosexperimentosseutilizóaguaprovenientedeunpozoprofundo,cuyascaracterísticasprincipalesson:sílice50mg/L,durezatotal~100mg/LcomoCaCO3,SDT~450mg/L,sulfatos~25mg/L,yalaqueseleadicionólacantidaddefluorurosdeseadaempleandofluorurodepotasio(KF)gradoACS.Paraestablecerla concentración de fluoruros con la que se realizóeste estudio, se tomó en cuenta el promedio de lasconcentracionesmáximasdeionesfluoruroquetienenlas fuentes de abastecimiento de agua subterráneasdenuestropaís(4.6mg/L)yse trabajóconunvalorcercanoaéste.
Métodos analíticos
Paraladeterminacióndefluoruroslasmuestrasfueronanalizadasconunelectrodoselectivode iónfluoruro,elcualsecalibróconestándarescertificadoscadavezquefueutilizado,enunrangode1a10mgF-/L,conunerrormenoroigualal2%.EnlaTabla2semuestranlosparámetrosanalizadosenestainvestigación,asícomolosmétodosutilizadosyloslímitespermisiblesparaelconsumohumano.
Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 27 núm. 2, 2012 103
Tabla 2. Parámetros fisicoquímicos analizados en este estudio
Parámetros Método/equipo *LP Unidades
AlcalinidadTitulométrico/TituladordigitalHachmodelo16900
**mg/LcomoCaCO3
AluminioHach8012/EspectrofotómetroHachDR2800
0.20 mg/L
CEConductimétrico/ConductímetroOrionmodelo130
** μS/cm
FluorurosElectrodoselectivodeiones/ThermoScientific9609BNWP
1.5 mg/L
pHPotenciométrico/PotenciómetroORIONmodelo420A+
6.5-8.5 pH
SulfatosHach8051/EspectrofotómetroHachDR2800
400 mg/L
* Límite permisible, **Parámetro no regulado por la NOM-127-SSA-1994 (DOF, 2000)
Selección del mejor coagulante para remover fluoruros mediante CQ
Comoprimeraetapaserealizaronpruebasparacompararlaeficienciadelhierro trivalente (Fe+3)ydelaluminiotrivalente(Al+3),comocoagulantesparalaremocióndefluoruros.Las salesquímicasqueseutilizaronson lasquecomúnmenteseempleanenplantaspotabilizadorasdeagua,comosonelcloruroférrico(FeCl3.6H2O)yelsulfatodealuminio(Al2(SO4)3.18H2O).Elpropósitodeestaspruebasfuedeterminarcuáldelosdoscationeseraelmásconvenienteautilizarenelrestodelestudio.Paraestapartedelestudioseempleóunequipodepruebade“jarras”,elcualutilizaagitaciónmecánicaypuedeoperarconseisrecipientes,de2Lcadauno,almismotiempo.Cadacoagulante seprobóaconcentracionesbajas (20a120mg/L)yaltas (140a490mg/L)paraencontrarla dosis quepermitiera disminuir los fluoruroshastaloquemarca laNOM(DOF,2000).Laconcentracióninicial(Co)defluoruroenestaetapadeltrabajofuedeaproximadamente4mgF-/L.Elgradientedevelocidaddelamezclarápida(etapadecoagulación)sefijóenG=630s-1yenlafloculaciónseutilizarongradientesdescendentesconvencionalesdeG=60,40y20s-1durantesieteminutoscadauno.Lavelocidadde lapaletaen rpmparacadagradientedevelocidadsecalculóaplicandolaecuación1(IMTA,1998):
G=0.0982*T0.1514*rpm1.4538 (1)
Losvaloresnuméricosdelaecuación,sonconstantesdemezcladoobtenidasalponerenformadeecuaciónlasgráficasmostradasenZeta-MeterInc.(1993)paraestetipode“jarras”.
Posterioralafloculación,elsistemapermanecióenreposodurante30minutosparapermitirquelosflóculossedimentaranyaltérminodeestaetapasecolectólamuestra del sobrenadante para la determinación deionesfluoruro.ElajustedepHserealizómediantelaadicióndehidróxidodesodio(NaOH)0.5N,elcualfueagregadoprevioalaadicióndecadacoagulante,paraestablecerunpHfinalmuycercanoa7.0.EstepHeselquerecomiendalaliteratura(ysecomprobóenpruebasnomostradasenestetrabajo)comoelmásadecuadoparaestetipodecoagulantes.
Obtención de la dosis óptima de coagulante
Paraelrestodelestudiosetrabajóconunaconcentracióninicialdefluorurosentre3y3.5mg/L,queesunvalormuy cercano al de una fuente real a la que se tieneacceso y en la que se espera posteriormente aplicarlosresultadosdeestetrabajo;porestarazón,unavezseleccionadoelmejorcatión(aluminio),sedeterminóla dosis apropiada del coagulante para garantizaruna concentración deF- menor que 1.5 mg/L en elaguatratada.Laspruebasfueronrealizadasusandoelmismoprocedimientodescritoenelapartadoanterior,aexcepcióndeladosisdelsulfatodealuminioquesevarióentre60y160mg/L.
Material utilizado en los electrodos del reactor electroquímico
Losresultadosobtenidosenlaspruebasrealizadasconcloruro férricoy sulfatode aluminio sirvieroncomoreferenciaparalaeleccióndelmaterialdeloselectrodosdel reactor electroquímico; también permitieronseleccionar la dosis del catiónmetálico requerida(30 mgAl+3/L aproximadamente) para disminuir laconcentracióndefluorurosporabajodelvalornormado(1.5mgF-/L).A partir de dicha dosis se calculó elamperaje a fijar en el reactor, utilizando laLey deFaradayexpresadaparaunsistemaaflujocontinuo:
I(A)=CAl+3QnF (2)
Efecto del gradiente de velocidad y la conductividad eléctrica en la CQ y la EC
Paraestablecersielgradientedevelocidad(G)enlaetapadecoagulaciónylaconductividadeléctrica(CE)
104 Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 27 núm. 2, 2012
delaguaatratar,teníanalgúnefectosobrelaremociónde fluoruros, se decidió utilizar un diseño factorial22(2factoresevaluadosa2niveles)contrespuntoscentrales,paracadaunodelossistemasdetratamiento(CQyEC).Este tipodediseñospermitenhaceruncribado de las variables de interés para establecersolamente si influyen significativamente o no en lavariablederespuesta.
La elección de G como factor de estudio se basaen la experiencia de trabajos realizados sobre estetema porMartín y Panamá (2004) y en la teoríabásicadelacoagulaciónquímica.Deacuerdoconlasobservacionesrealizadaseneltrabajomencionado,laeficienciaderemocióndeuncontaminanteenunreactorelectroquímicoaflujocontinuoselograavaloresdeGaltosenlaetapadecoagulaciónomezclarápida;sinembargo,esaspruebassehicieronaconcentracionesbajas de coagulante, es decir, con coagulación porneutralizaciónynoporbarridocomoeselcasodeesteestudio.
Porotro lado, la conductividad eléctrica del aguaa tratar es un factor importante en el fenómeno depasivacióndeloselectrodosyenelcostodeoperacióndelprocesodeelectrocoagulación.LosnivelesparacadafactorevaluadosemuestranenlaTabla3;losgradientesseeligieronconelpropósitodeutilizarvaloresextremosdentrodelintervalocomúnmentecitadoenlaliteratura,esdecir,entre400y1000s-1(IMTA,1998),mientrasqueparalaconductividadeléctricaseutilizaronvaloresnormalmente encontrados en cuerpos subterráneosde agua. Cabe mencionar que no es recomendableoperar equipos de electrocoagulación con valoresde conductividad eléctrica bajos, ya que aumentanconsiderablementeloscostosdeoperación.
Tabla 3. Factores considerados en el diseño experimental y niveles estudiados
Factores evaluados NivelesBajo Central Alto
Gradientedevelocidad,G(s-1) 210 755 1300Conductividadeléctrica,CE(μS/cm) 320 1160 2000
Considerandoqueseutilizóeldiseñoexperimental22,elnúmerodepruebasqueserealizaronfueronsieteporcadaproceso(coagulaciónquímicayelectrocoagulación)yaqueseincluyerontresrepeticionesdelvalorcentral,estoconelfindeincrementarlosgradosdelibertaddelerrorytenerunanálisisdevarianza(Andeva)confiable.Losresultadosobtenidosenlaspruebasexperimentalesfueron analizados mediante el paquete Statgraphics
(2002)CenturiónVersiónXV,conelcualseobtuvoelanálisisdevarianzaylagráficadeefectosprincipales.
La concentración inicial de fluoruros (Co) en elagua utilizada para ambos tratamientos (CQ y EC)varió entre 3 y 3.5 mg/L. La variable de respuestaqueseestablecióenlosexperimentosfuelaeficienciaderemocióndefluorurosdecadapruebadespuésdela etapa de sedimentación. Sin embargo, al inicioy al término de las corridas experimentales sedeterminaronlosparámetrosinvolucrados,comosonlaconductividadeléctrica,pH,concentracióndeionesfluoruro, sulfatos, aluminioy alcalinidad total.Conelfinde conocer laproducciónde lodosgeneradosporelectrocoagulación (EC)ycoagulaciónquímica(CQ), se colectó el lodo sedimentado durante cadacorridaexperimentalysecolocóenconosImhoffparadeterminarelvolumendelodoalas24horas.
Descripción del diseño experimental con la coagulación química convencional
Los experimentos realizados con laCQ se llevarona cabo en el equipo para prueba de “jarras”. Losgradientes de velocidad en la etapa de coagulaciónyfloculaciónparacadacorridaexperimentalfueronajustadosmediante laecuación1.Lamezclarápidaseefectuópor15segundos,seguidadetresetapasdefloculacióncongradientedescendente(G)de60,40y20s-1durantesieteminutoscadaunayfinalmenteun tiempodesedimentaciónde30minutos.Paraelcaso del gradiente alto en la etapa de coagulación(1300 s-1), la velocidad de rotación de la paleta semantuvoconstanteperosedisminuyóelvolumendeagua en la “jarra”. La dosis de sulfato de aluminio(Al2(SO4)3.18H2O) aplicada en estos experimentosfuede360mg/L(determinadapreviamentecomoladosisóptimaequivalentea29.16mgAl+3/L.ElpHfueajustadoa7.0conlaadicióndeNaOH0.5NylaconductividadeléctricaseestablecióconlaadicióndeNaCl,dependiendodelorequeridoenlacadapruebasegúneldiseñodeexperimentos.
Descripción del diseño experimental con la electrocoagulación
ElprocesodeECserealizóenunreactorelectroquímicocon placas de aluminio, operado a flujo pistón y apresión(Figura1).Alasalidadelreactorsecolectaban2litrosdeaguaysecolocabanenunequipodepruebade“jarras”parallevaracabolamezclalentaofloculación,asícomolasedimentación,conlosmismosvaloresdeoperaciónqueenlaCQ(Figura2).
Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 27 núm. 2, 2012 105
Electrodos
Sentido de flujo
a) Vista en planta del reactor de EC
Conexión al manómetroConexión al manómetro
Influente
Solera de cobre
Efluente
b) Imagen del reactor utilizado
Fuente de poder
Plecas de aluminio
Figura 1. Reactor electroquímico utilizado en el experimento
Figura 2. Esquema del tren de tratamiento utilizado en el proceso de electrocoagulación
Reactor electroquímico
InfluenteEfluente
Fuente de poder
Equipo de jarras
106 Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 27 núm. 2, 2012
Se utilizó un reactor a flujo pistón por ser laconfiguraciónhidráulicaenlaquesepresentanmenoresproblemasdezonasmuertasycortocircuitos(Martíny col., 2008).El reactor electroquímico (Figura 1b)consistióde60electrodoscondimensionesde4x8x 0.4 cm, construidos de aluminio (por ser elmetalquepresentómayor eficiencia de remociónde ionesfluoruro).Eláreaactivadeelectrodosfue0.1934m2ylarelación:áreadelelectrodo/volumendelreactorfuede148.77m2/m3.ParafijarlacorrienteeléctricaseutilizóunafuentedepoderSorensenmodeloDLM40-15concontroldevoltajede0a40Voltsyquepuedeaplicarunacorrientedirectade0a15Amperes.Alasalidadelreactoryunavezqueelsistemaestabaenequilibrioconrespectoalaproduccióndelaluminio,aproximadamente15minutos,semidieronelaluminioproducido,elpH,laconductividadeléctricaylaalcalinidaddelaguaquesetransferíaalequipode“jarras”.
Tambiénsemidieronlaspérdidasdecargahidráulica(∆H) a través del rector, para lo cual se utilizó unmanómetrodemercurioconectadoenlosextremosdelmismo;esteparámetroesimportanteparacalcularelvalordelgradientedemezcladeacuerdoalaecuaciónsiguiente:
G = ρG∆HµT
(3)
Dado que la configuración del reactor y susdimensiones sonfijas, la variacióndel gradiente, deacuerdoconlorequeridoporeldiseñodeexperimentos,seobtuvomediantelavariacióndelcaudal,elcualasuvezmodificalaspérdidasdecargahidráulica;portalmotivosellevóacabolacalibraciónhidráulicadel
reactormidiendo la pérdidade carga en funcióndelcaudaldeaguaquepasaatravésdeél.Elcaudalfuemedidomedianteunaprobetagraduadayuncronómetroa la salida del reactor. En la Tabla 4 se muestranlos valores de los flujos obtenidos para lograr losgradientesdevelocidadrequeridosparacadacondiciónexperimental.
Tabla 4. Valores de los flujos requeridos para fijar los gradientes de velocidad deseados
Caudal (L/min) t (s)
V (L)
ΔH (cm
H2O)
G (s-1)
1.02 75.32 1.27 30.56 2102.75 27.85 1.27 145.72 7554.19 18.25 1.27 282.98 1300
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Selección del mejor coagulante para remover fluoruros mediante CQ
EnlaFigura3secomparanlasconcentracionesresidualesdeF-obtenidasaplicandodiferentesdosisdeloscoagulantesestudiados(cloruroférricoysulfatodealuminio).Aunqueseparte de concentracionesdefluoruros ligeramentediferentes,elsulfatodealuminiologrómejoreseficienciasderemociónqueelcloruroférrico,tantoendosisaltacomobaja.Estosirviócomoreferenciaparautilizarelectrodosdealuminioenelreactorelectroquímico,asícomoparacontinuarelestudioreferentea lacoagulaciónquímicasóloconsulfatodealuminio.
Figura 3. Concentración residual de fluoruros en función de la dosis y tipo de coagulante
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
100 150 200 250 300 350 400 450 500
Sulfato de aluminio (Co = 4.18 mgF-/L)
Cloruro férrico (Co = 4.01 mgF-/L)
Dosis altas de coagulante (mg/L)
Conce
ntr
ació
n r
esid
ual
de
F-
(mg/L
)
Conce
ntr
ació
n r
esid
ual
de
F-
(mg/L
)
Sulfato de aluminio (Co=4.25mgF-/L)
Cloruro férrico (Co = 4.25 mgF-/L)
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
10 30 50 70 90 110 130
Dosis bajas de coagulante (mg/L)
Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 27 núm. 2, 2012 107
Obtención de la dosis requerida de coagulante
LosresultadosderemocióndeF-condiferentesdosisdecoagulanteparatrataraguacon3.30mg/LdeF -semuestranenlaTabla5.Conbaseenestosresultadosseconsideróutilizarunadosisde360mg/Ldesulfatodealuminio(Al2(SO4)3.18H2O),queequivalena29.16mg/Ldelcatión(Al+3),paradisminuirelcontaminanteavaloresmenoresde1.5mg/LqueesellímitepermisibleparafluorurossegúnlaNOM-127-SSA1-1994(DOF,2000).DichadosisesaltayseapegaalodescritoporlaUniversidaddeNewHampshiredonderevelanqueserequiereunadosisdesulfatodealuminiode350mg/Lparadisminuirlaconcentracióndeionesfluorurode3.6a1.0mg/L(Villa,2001).
Estadosisdeagentecoagulantesirviótambiéncomoreferenciaparafijar laconcentracióndealuminioenlasalidadelreactorelectroquímico.EnlamismatablasemuestraquelarelaciónAl+3/F-fuede14.6locualcoincideconlomencionadoporMingycol.(1987)asícomoporEmamjomehySivakumar (2009),donde losprimerosmencionanquelatasaseencuentraenunintervalode10y15ylossegundosenelintervalode13y17.5.
Comparación de los procesos de CQ y EC para la remoción de fluoruros
En las Tablas 6 y 7 se presentan las diferentescondiciones de prueba y los resultados obtenidosen el diseño de experimentos con la CQ y la ECrespectivamente,conunadosisdesulfatodealuminiode360mg/L,mientrasqueenlaFigura4semuestragráficamente la eficiencia de remoción defluorurospara cada una de las condiciones evaluadas. Estosresultadosmostraronqueenlacoagulaciónquímicaseincrementóconsiderablementelacantidaddesulfatosen el agua tratada, aumentando por consiguiente laconcentracióndesólidosdisueltosylaconductividadeléctrica del agua.Es importante señalar que, en elcasode laelectrocoagulación,eficienciasmayoresal100%yahansidoobservadaporotrosautorescuandose utilizan electrodos de aluminio (Cañizares y col.,2005;Shulzycol.,2009).
LaEC logrómejores eficiencias de remoción defluoruros que laCQ en lamayoría de las corridasexperimentalesevaluadas(Figura4),bajolasmismascondicionesdeoperación.
Tabla 5. Resultados obtenidos en prueba de “jarras” para una concentración inicial de 3.30 mg F-/L (CO)
Dosis (mg/L) Al2(SO4)3.18H2O Cr F- (mg/L) Al+3 utilizado
(mg/L)F- removido
(mg/L)Remoción de
F- (%) Tasa Al+3/F -
60 2.34 4.9 1.0 30.3 4.9120 2.13 9.7 1.2 36.3 8.1180 1.78 14.6 1.5 45.4 9.7240 1.50 19.4 1.8 54.5 10.8300 1.41 24.3 1.9 57.5 12.8360 1.32 29.2 2.0 60.6 14.6
Co=Concentracióninicialdefluoruros Cr=concentraciónresidualdeF -despuésdecadaprueba
Tabla 6. Resultados de la coagulación química en la remoción de fluoruros
Prueba G(s-1)
CE inicial(μS/cm)
CE final(μS/cm)
Co F-
(mg/L)Cr F-
(mg/L)Remoción de
F- (%)Sulfatos final
(mg/L)pH
1 755 1160 1350 3.35 1.56 53.43 210 7.22 210 2000 2004 3.36 1.06 68.45 210 7.03 210 320 706 3.33 1.05 68.47 205 7.04 1300 320 350 3.50 1.73 50.57 203 7.45 755 1160 1545 3.30 1.54 53.33 208 7.36 755 1160 1434 3.32 1.73 47.89 213 7.17 1300 2000 2026 3.32 1.67 49.70 212 7.2
108 Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 27 núm. 2, 2012
Figura 4. Eficiencias de remoción de fluoruros logradas por los sistemas estudiados (EC y CQ)
LaFigura5muestraelvolumendelodosproducidospor la CQ y la EC. Esta última tuvo una menorproduccióndelodosentodaslascorridas.EstocoincidealodescritoporMartínycol.(2008),dondemencionanquelosflóculosformadosenelreactorelectroquímicoestánmenoshidratadosytienenmenorcantidaddeagualigada;porlotanto,secompactanconmayorfacilidadlograndoasíunmenorvolumen.
Electrocoagulación
Coagulación química
Corridas experimentales
Rem
oci
ón
de
Flu
oru
ros
(%)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1 2 3 4 5 6 7
Tabla 7. Resultados de la electrocoagulación en la remoción de fluoruros
Corrida G(s-1)
CE inicial(μS/cm)
CE final(μS/cm)
Qreactor (L/min)
Corriente (A)
Voltaje(V)
Al+3
teórico (mg/L)Al+3 real
producido (mg/L)1 755 1160 1040 2.75 7.35 4.0 14.96 31.02 210 2000 1766 1.02 2.96 2.0 16.24 30.53 210 320 369 1.02 2.96 4.5 16.24 29.54 1300 320 335 4.20 14.70 21.1 19.59 31.55 755 1160 1059 2.75 7.54 4.1 15.35 30.06 755 1160 1078 2.75 7.45 4.1 17.03 30.07 1300 2000 1900 4.20 14.70 5.2 19.59 29.5
Corrida Co F- (mg/L)
Cf F- (mg/L)
Iones F- removidos
(mg)
Remoción de F- (%) pH final Sulfatos
final (mg/L)
1 3.35 1.22 2.13 63.58 7.2 252 3.36 1.09 2.27 67.56 7.1 263 3.33 0.92 2.42 72.52 7.2 244 3.50 1.45 2.05 58.57 7.1 275 3.30 1.27 2.03 61.52 7.1 256 3.32 1.27 2.05 61.75 7.0 287 3.32 1.44 1.88 56.63 7.2 28
Figura 5. Volumen de lodos generados por electrocoagulación y coagulación química
Electrocoagulación
Coagulación química
40
35
30
25
20
15
10
1 2 3 4 5 6 7
Corridas experimentales
Vo
lum
en d
e lo
do
s (m
L/L
)
Efecto del gradiente de velocidad y la conductividad eléctrica en la CQ y la EC
El análisis de varianza (Andeva) de los resultadosobtenidos con la electrocoagulación (Tabla8) indicaquesolamenteelgradientedevelocidadtuvounefectosignificativosobrelavariablederespuesta(eficienciaderemocióndeF -),yaqueelvalorP(0.003)esmenoral valor de significancia (α=0.05) para un 95%deconfianza.
Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 27 núm. 2, 2012 109
Tabla 8. Andeva para la remoción de fluoruros por EC
Fuente Suma de Cuadrados
gl Cuadrado Medio
Razón F Valor P
A:G 154.75 1 154.75 70.38 0.003B:CE 11.90 1 11.90 5.41 0.102AB 2.28 1 2.28 1.04 0.383Errortotal 6.59 3 2.19
Encuantoalacoagulaciónquímica,conelmismonivel de confianza, ninguno de los dos factores deestudioGyCEtienenunefectosignificativosobrelaremocióndefluoruros(Tabla9).
Tabla 9. Andeva para la remoción de fluoruros por CQ
Fuente Suma de Cuadrados
gl Cuadrado Medio
Razón F Valor P
A:G 335.81 1 335.81 8.19 0.064B:CE 0.19 1 0.19 0.00 0.94AB 0.18 1 0.18 0.00 0.95Errortotal 122.99 3 40.99
En la gráfica de efectos principales (Figura 6a)se muestra que al cambiar el valor del gradiente develocidadenlaEC,deunvalorbajo(210s-1)aunoalto(1300s-1),laeficienciaderemocióndefluorurossemodificaconsiderablementepasando(enpromedio)del70.0al57.6%,mientrasquelaconductividadeléctricanomuestraefectossignificativos(Figura6b).Porotrolado,enlaCQseobservaunmenorimpactosobreladeremocióndefluoruroscuandocambiaGentrelosmismosvalorespasandode68.4a50.14(promedio).Aligualqueenlaelectrocoagulación,laconductividadeléctricanomodificasignificativamentelaremoción.
CONCLUSIONES
Laelectrocoagulacióncomparadaconlacoagulaciónquímica a diferentes condiciones de operación(G y conductividad eléctrica del agua) mostrómayor eficiencia de remoción de fluoruros, con lasmismasdosisdecoagulante (Al+3).Bajo lasmismasconcentracionesdefluorurosyadicionando30mg/LdeAl+3aproximadamente,laeficienciaderemocióndefluorurosestuvoentreunvalormínimode56.6yunomáximode72.52%paraelectrocoagulaciónyentre49.7a68.4%concoagulaciónquímica.
La electrocoagulación presentó la ventaja de noincrementarlacantidaddesólidosdisueltosenelaguatratada,comoocurreconlaCQdebidoalosanionesqueseadicionanenelcoagulanteutilizado.
OtraventajadelaECsobrelaCQeslaproduccióndeunmenorvolumende lodos.Elvolumende lodosgeneradosenelectrocoagulación fueenpromediodel21%menosqueenlacoagulaciónquímica.Elvolumendelodoproducidoimpactaenloscostosdelequipamiento,operación,mantenimientoytransporte,requeridospararetirarleslahumedadantesdesudisposición,ademásdelapropiadisposición(Panizza-de-León,2009).
Derivado de un diseño factorial a dos niveles, enelqueseanalizóelefectodelgradientedevelocidaden lamezcla rápida (G) así como la conductividadeléctrica(CE)delaguaatratar,sobrelaeficienciaderemocióndefluoruros,seconcluyequesolamenteGtiene efecto estadísticamente significativo sobre lavariablederespuestaenelcasodelaelectrocoagulación(laremocióndefluorurosaumentacuandoelgradientedisminuye). En el caso de la coagulación químicaningunodelosdosfactorestienenunefectosignificativosobrelavariablederespuesta.
Figura 6. Efectos principales (a) G y (b) CE, sobre la remoción de fluoruros en la coagulación química y en la electrocoagulación
Pro
med
io d
el %
rem
oci
ón
de
flu
oru
ros
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
G (S-1)
EC
CQ
(a)
Pro
med
io d
el %
rem
oci
ón
de
fluoru
ros
80
70
60
50
40
30
20
10
00 200 400 600 800 1000 1200 1400
CE (µS/cm)
EC
CQ
(b)
110 Tecnol. Ciencia Ed. (IMIQ) vol. 27 núm. 2, 2012
Debido a esto, conviene en los dos procesosfijarelgradientedemezclamásbajo,con lafinalidaddedisminuir los costos de operación por agitación. Encuantoalaconductividad,conlacoagulaciónquímicaesmejortrabajarconlaconductividadpropiadelaguaproblema, mientras que en la electrocoagulación esnecesariotomarencuentaqueabajasconductividades,elvoltajerequeridoparafijarlacorrienteseincrementa,por lo tanto se requiere analizar la conveniencia dedisminuir costos por consumo energético a costa deaumentarloscostosporlaadicióndesalparasubirlaconductividad.
NOMENCLATURA
ACS GradoAmericanChemicalSociety(reactivoQP)AndevaAnálisisdevarianza(anovaeninglés)C ConcentracióndeliónCAl+3 ConcentracióndealuminioCE Conductividadeléctrica,μS/cmCo ConcentracióninicialdefluorurosCr ConcentraciónresidualdefluorurosCQ CoagulaciónquímicaEC ElectrocoagulaciónF Estadísticodeprueba(cuadradosmediosdela
fuentedevariación/cuadradosmediosdelerror)F ConstantedeFaradayG Gradientedevelocidadenelmezclado,s-1gl Gradosdelibertad(análisisestadísticos)g Aceleracióndelagravedad,m/s2I(A) IntensidaddecorrienteLP Límitepermisiblen Número de electrones intercambiados en la
reaccióndeoxidaciónP Probabilidaddeexcederelvalordelestadístico
depruebabajolascondicionesdelahipótesisnula
Q Flujocontinuo,L/minQP Químicamentepurorpm Revolucionesporminutot Tiempoderesidenciahidráulicaenlaunidadde
mezclado,sT Temperaturadelagua,ºC
LETRAS GRIEGAS
∆H Pérdidadecargahidráulica,mμ Viscosidaddinámica,kg/m·s(ecuación2)ρ Densidaddellíquido,kg/m3(ecuación2)
BIBLIOGRAFÍA
Cañizares,M.P.,Carmona,M.,Lobato,J.,Martínez,F.,Rodrigo,M.A.2005.Electrodissolutionofaluminumelectrodesinelectrocoagulationprocesses.Ind. Eng. Chem. Res. 44:4178-4185.
DOF.2000.ModificaciónalaNorma Oficial Mexicana NOM-127-SSA1-1994,Saludambiental,Aguaparausoyconsumohumano.Límitespermisiblesdecalidadytratamientosaquedebesometerseelaguaparasupotabilización.DiarioOficialdelaFederación.22denoviembrede2000.GobiernodelosEstadosUnidosMexicanos.MéxicoD.F.,México.
Emamjomeh,M.M.,Sivakumar,M.2009.Fluorideremovalbyacontinuousflowelectrocoagulationreactor.Journal of Environmental Management. 90:1204-1212.
Hurtado,R.,Gardea,J.2004.EstimacióndelaexposiciónafluorurosenlosaltosdeJaliscoMéxico.Salud Pública de México. (Revista electrónica). 47(001):58-63.Disponibleenhttp://www.insp.mx/salud
IMTA.1998.Manual de evaluación de plantas potabilizadoras.InstitutoMexicanodeTecnologíadelAgua.Jiutepec,Morelos,México.
Martín,A.,Panamá,L.A.2004.Desarrollo e implantación de la electrocoagulación para la eliminación de contaminantes en agua y acondicionamiento de la misma para uso industrial.InstitutodeInvestigacionesEléctricas.Informefinal.Proyecto12383.Palmira,Morelos,México.
Mameri,N.,Lounici,H.,Belhocine,D.,Grib,H.,Piron,D.,Yahiat,Y.2001.DefluoridationofSaharawaterbysmallplantelectrocoagulationusingbipolaraluminiumelectrodes.Separation and Purification Technology (Revista electrónica). 24:113-119.Disponibleenhttp//www.elsevier.com/locate/watres
Martín,A.,Rivera,M.L.,Piña,M.,Pérez,S.2008.Incidenciadelgradientedevelocidadenlaeficienciadelaelectrocoagulaciónpararemoverarsénicoenunreactoraflujopistón.Interciencia (Revista electrónica). 33(007):496-502.Disponibleen:http://redalyc.uaemex.mx
Ming,L.,Yi,S.R.,Hua,Z.J.,Lei,B.Y.W.,Ping,L.,Fuwa,K.C.1987.Eliminationofexcessfluorideinpotablewaterwithcoacervationbyelectrolysisusingaluminiumanode. Fluoride. 20:54-63.
Mohammad,M.,Muttucumaru,S.2006.Anempiricalmodelfordefluoridationbybatchmonopolarelectrocoagulation/flotation(ECF)process.Journal of Hazardous Materials (Revista electrónica). 131:118-125.Disponibleen:www.elsevier.com/jhazmat
Panizza-de-LeónA.2009.Evaluacióndelafitoextraccióndealuminioencondicionesácidas.Tesis doctoral.UNAM.ProgramadeMaestríayDoctoradoenIngeniería.MéxicoD.F.México.
Qianhai,Z.,Xueming,C.,Wei,L.yGuohua,C.2008.Combinedelectrocoagulationandelectroflotationforremovaloffluoridefromdrinkingwater.Journal of Hazardous Materials. (Revista electrónica). 159:452-457.Disponibleen:www.elsevier.com/jhazmat
Shulz,M.C.,Baygents,J.C.,Farrel,J.2009.Laboratoryandpilottestingofelectrocoagulationforremovingscaleformingspeciesformindustrialprocesswaters.Int. J. Environ. Sci. Tech. 6(4):521-526.
Statgraphics.2002.Programa estadístico.CenturiónVersiónXV,SerieA.Páginaelectrónica:http://www.statgraphics.com
Villa,F.2001.Remocióndelexcesodeflúordeaguassubterráneasparaconsumohumano.Tesis de Maestría.UNAM,ProgramadeMaestríayDoctoradoenIngeniería.CampusMorelos.Jiutepec,Mor.,México.
WHO.2011.Guidelines for drinking- water quality.4aed.WorldHealthOrganization.Disponibleen:http//whqlibdoc.who.int
Zeta-Meter,Inc.1993.Everything you want to know about coagulation & floculation.Disponibleen:http://www.zeta-meter.com/coag.pdf.