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Tlamati Sabiduría, Volumen 7 Número Especial 2 (2016)
4° Encuentro de Jóvenes Investigadores – CONACYT 11° Coloquio de Jóvenes Talentos en la Investigación
Acapulco, Guerrero 21, 21 y 23 de septiembre 2016
Memorias
Remoción de color en aguas residuales procedentes de industria textil
mediante electrocoagulación para su posible reutilización.
Adrian Alexis Pedroza Gutiérrez (Becario)
Universidad Autónoma de Guerrero
Unidad Académica de Ciencias Ambientales
Programa de Verano Delfín
Área en la que participa: II Biología y Química
Dr. Marco Antonio García Morales (Asesor)
Investigador del Instituto Tecnológico de Toluca
Resumen
El agua puede contener una variedad de impurezas, solubles e insolubles, entre las que destacan
los colorantes y los microorganismos en general. Tales impurezas, presentan una carga
superficial negativa que impide que las partículas se aproximen unas a otras y que las lleva a
permanecer en un medio que favorece su estabilidad. Para que estas impurezas puedan ser
removidas, es preciso alterar algunas características del agua a través de coagulación química o
de procesos electroquímicos.
El sistema de electrocoagulación juega un papel muy importante en la efectividad de remoción de
contaminantes. Algunos aspectos de diseño a tener en cuenta están relacionados con la celda, los
electrodos, los materiales de este, la geometría y la disposición de los electrodos son
fundamentales para que la aplicación de la electrocoagulación tenga resultados óptimos. Con base
en la caracterización fisicoquímica de las aguas crudas, se diseñó un sistema de
electrocoagulación para estudiar el comportamiento de los diferentes parámetros involucrados en
la separación de colorantes. La investigación permitió establecer la eficacia tanto de la celda
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como de los electrodos, los materiales y tipo de conexión, adicionalmente se determinaron los
parámetros eléctricos de la fuente de voltaje.
El objetivo del proyecto se basó en las condiciones de los electrodos, en su distancia, nivel de
cargas y el diseño de la celda donde se presenta un sistema de sedimentación. Se realizaron las
pruebas donde se observó la coagulación del material orgánico particulado, las cargas en los
electrodos y el comportamiento de las mismas. La electrocoagulación se integró con ozono como
pre-tratamiento y filtración y adsorción como post-tratamiento, mejorando la eficiencia y
removiendo el colorante índigo carmín en un 100%.
Palabras Clave: Electrocoagulación, Remoción, Pre-ozonación, Filtración, Adsorción.
Introducción
Hoy en día la humanidad enfrenta la que quizás sea una de las mayores problemáticas del
siglo XXI, y es la necesidad de proveer agua para una creciente población mundial. Se requiere
satisfacer las demandas de agua potable, de aguas de riego y de agua para la industria. Frente a
esta problemática mundial en torno al agua, es necesario tratar las aguas residuales para evitar o
controlar la contaminación de los recursos hídricos y garantizar su disponibilidad para los
diferentes usos.
Las aguas residuales industriales son tratadas mediante una serie de procesos físicos,
químicos y biológicos que tienen como fin eliminar o disminuir la concentración los
contaminantes presentes en el efluente; no obstante, debido a la complejidad y variación en sus
composiciones estos efluentes son difíciles de tratar con los sistemas biológicos y fisicoquímicos
tradicionales.
La industria textil genera importantes beneficios para el país, tanto en el ámbito
económico como en lo social. Sin embargo, ha traído consigo serios problemas de contaminación
ambiental debido a que esta actividad requiere utilizar sustancias altamente tóxicas que producen
efluentes líquidos con pH ácidos, altos contenidos de materia orgánica, altas concentraciones de
material colorante, una alta concentración de sales, sulfatos, nitratos, entre otros, los cuales
requieren ser tratados antes de enviarlos como residuo a los cuerpos de agua.
Este impacto se puede minimizar si se toman medidas para prevenir la contaminación y se
aplican técnicas para reducir la carga contaminante de los desechos generados en el proceso del
teñido de la mezclilla.
Hoy en día existen una serie de tecnologías emergentes que están basadas en la
electroquímica y que actualmente se presentan como alternativas que ofrecen ventajas
competitivas frente a las tecnologías tradicionales. Se puede mencionar en este grupo la
electrocoagulación, la electroflotación y la electrodecantación.
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La electrocoagulación como alternativa de descontaminación se basa en la aplicación de
una corriente que involucra la generación in situ de coagulantes, iones metálicos en el ánodo e
hidroxilos en el cátodo, que al unirse se desestabilizan formando un precipitado capaz de arrastrar
por adsorción o precipitación los contaminantes en solución (García Vaca, García Ubaque, & De
Plaza Solórzano, 2016).
En el presente trabajo de investigación se evalúa la eficiencia de tratamientos acoplados
de aguas residuales industriales, aplicado a efluentes de la industria textil, con el objetivo de
mejorar la calidad del agua residual tratada posibilitando su reutilización. Para lograr este
objetivo los tratamientos terciarios acoplados evaluados en este trabajo fueron: oxidación con
ozono, electrocoagulación con electrodos de aluminio, filtración con arenas y adsorción con
carbón activado.
Materiales y Métodos
Para la realización de los experimentos en el Laboratorio de Oxidación Química y
Biología se empleó una serie de materiales y reactivos (véase tabla 1).
Tabla 1. Listado de materiales utilizados para los experimentos en el laboratorio.
Fuente: Elaboración propia.
Material Equipo Electrónico Reactivos
Nombre Volumen
(ml) Nombre Marca Nombre Fórmula
Vaso de
precipitado
10, 50,
1000 Potenciómetro
Denver
Instrument Agua destilada H2O
Probeta 500 Espectrofotóme
tro HACH Ácido sulfúrico H2SO4
Celda 2 Parrilla de
agitación Cimarec
Ácido
clorhídrico HCl
Piceta 400 Fuente de poder Steren Hidróxido de
Sodio NaOH
Recipiente de
polipropileno 2800 Voltímetros Steren
Dicromato de
Potasio K2Cr2O7
Mosca - Colorímetro HACH Sulfato de plata Ag2S
Cables - Turbidímetro Thermo
Scientific
Biftalato de
Potasio C8H5KO4
Placas de vidrio -
Placas de aluminio -
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La metodología que se siguió se muestra en la figura 1, en el cual puede apreciarse de
manera general los pasos del desarrollo experimental para el tratamiento del agua residual, los
cuales, serán explicados individualmente.
Figura 1. Metodología general para el tratamiento del agua residual. Fuente: Elaboración propia.
Muestreo
Las muestras se recolectaron de una industria textil, ubicada en el municipio de Almoloya
del Río, México, antes de que sus aguas utilizadas en el proceso del teñido de la mezclilla fuesen
desechadas a la laguna de esta localidad. Las muestras se almacenaron en contenedores de
plástico a temperatura ambiente (20°C) y se llevaron al laboratorio para su análisis y tratamiento.
Pre-ozonación
El ozono es considerado como una interesante alternativa para la desinfección y oxidación
de varios contaminantes orgánicos e inorgánicos del agua residual. Además; el ozono se puede
utilizar en combinación con otras tecnologías de tratamiento en las complejas mezclas de las
aguas residuales. El ozono empleado como un pre-tratamiento mejora la biodegradabilidad de las
aguas residuales. La aplicación en un post-tratamiento se usa a menudo como un proceso de
desinfección y como un método de tratamiento capaz de degradar las moléculas refractarias las
cuales pueden ser más fácilmente degradadas por métodos biológicos (García Morales, 2013). La metodología que se ha utilizado para el empleo de este método es la siguiente (véase
figura 2).
Muestreo del agua residual
Pre-ozonación
Electrocoagulación Filtración Adsorción
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Figura 2. Metodología del proceso de pre-ozonación para el tratamiento del agua residual.
Fuente: Elaboración propia.
Electrocoagulación
La electrocoagulación es un proceso que utiliza la electricidad para eliminar
contaminantes en el agua que se encuentran suspendidos o disueltos (Eyvaz, 2016). La técnica
consiste en inducir corriente eléctrica en el agua residual a través de placas metálicas paralelas de
diversos materiales, en esta ocasión, aluminio. La corriente eléctrica proporciona la fuerza
electromotriz que provoca las reacciones químicas que desestabilizan las formas en las que los
contaminantes se encuentran presentes (Elabbas, 2016). Es así que los contaminantes presentes
en el medio acuoso forman agregados, produciendo partículas sólidas que son menos coloidales y
menos emulsificadas (o solubles) que en estado de equilibrio. Cuando esto ocurre, los
contaminantes forman componentes hidrofóbicos que se precipitan y/o flotan y se pueden
remover fácilmente por algún método de separación de tipo secundario (Galvis Riaño, 2015).
En el proceso de electrocoagulación hay generación de coagulantes in situ por la
disolución de iones de aluminio o de hierro de los electrodos de aluminio o hierro
respectivamente. La generación de iones metálicos tienen lugar en el ánodo y en el cátodo hay
liberación de burbujas de hidrógeno gaseoso las cuales ayudan a la flotación de las partículas
floculadas, las mismas que serán retiradas posteriormente (Aguilar, 2016).
Pre-ozonación
Configuración del generador de
oxígeno
Configuración del generador de
ozono
Colocación del agua residual en la columna
del mecanismo
Regulación y monitoreo del
flujo
Recolección del agua posterior a los 10 minutos
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A continuación se presenta la metodología experimental que se utilizó para llevar a cabo
el proceso de electrocoagulación (véase figura 3).
Figura 3. Metodología del proceso de electrocoagulación para el tratamiento del agua residual.
Fuente: Elaboración propia.
Electrocoagulación
Análisis de las variables de operación
Ajuste de la conductividad eléctrica del agua residual
Preparación de la matriz de
experimentos
Pre-ozonación del agua residual
Diseño y construcción de la celda
electroquímica
Iniciación de los
experimentos
Análisis de resultados
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Filtración
Análisis de las variables de operación
Colocación del medio filtrante
Adición del agua electrocoagulada
al filtro
Análisis de granulometría
Iniciación del proceso
Toma de muestras
Análisis de resultados
Filtración
La filtración es método utilizado para la separación de partículas sólidas contenidos en un
fluido, pasando a través de un medio filtrante. La filtración tiene por objeto principal la
eliminación de color, olor y sabor (Torrens, Molle, Boutin, & Salgot, 2009).
Se presenta la metodología utilizada para el proceso de filtración (véase figura 4).
Figura 4. Metodología del proceso de filtración para el tratamiento del agua residual. Fuente:
Elaboración propia.
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Resultados
Los resultados obtenidos fueron estudiados estadísticamente para conocer la influencia
que tuvieron los tratamientos de electrocoagulación y filtración en la degradación de color en el
agua residual.
Se comenzó el análisis con los resultados arrojados por la electrocoagulación sin pre-
ozonación (véase tabla 2 y gráfica 1).
Tabla 2. Datos obtenidos a través de la electrocoagulación sin acoplamiento del proceso de pre-
ozonación.
Tiempo Amperaje Voltaje pH Color % R. Color Turbidez % R. Turbidez
0 0.40 4.53 6.71 1576.60 0 28.63 0
3 0.40 4.53 7.24 1453.30 7.82 38.53 35.57
6 0.40 4.53 7.33 866.60 45.03 18.76 34.47
9 0.40 4.53 7.68 315.00 80.02 2.12 92.59
12 0.40 4.53 7.92 288.66 81.69 1.92 93.29
15 0.40 4.53 8.19 234.33 85.11 1.36 95.24
18 0.40 4.53 8.42 254.33 83.86 1.93 93.25
21 0.40 4.53 8.63 219.33 86.08 2.12 92.59
24 0.40 4.53 8.68 215.00 86.36 1.88 93.43
26 0.40 4.53 8.68 237.00 84.96 2.86 90.01
Fuente: Elaboración propia
Gráfica 1. Porcentajes de remoción en relación al tiempo de electrocoagulación sin acoplamiento
del proceso de pre-ozonación. Fuente: Elaboración propia.
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A continuación se muestran los resultados obtenidos una vez realizado el tratamiento de
electrocoagulación al ser antecedido por el proceso de pre-ozonación.
Tabla 3. Resultados conseguidos mediante electrocoagulación con la combinación del proceso de
pre-ozonación.
Tiempo Amperaje Voltaje pH Color % R. Color Turbidez % R. Turbidez
0 0.00 0 6.00 1783.30 0 174.3 0
0 0.40 5.35 6.72 2403.30 34.76 223.3 28.11
3 0.40 5.35 7.17 748.30 58.03 17.05 90.21
6 0.40 5.35 7.22 446.65 74.95 4.15 97.62
9 0.40 5.35 7.34 216.33 87.86 1.47 99.16
12 0.40 5.35 7.48 159.00 91.08 3.25 98.14
15 0.40 5.35 7.66 112.33 93.70 1.29 99.26
16 0.40 5.35 8.48 87.33 95.10 1.27 99.27
Fuente: Elaboración propia.
Gráfica 2. Porcentajes de remoción en relación al tiempo de electrocoagulación en conjunto con
el proceso de pre-ozonación. Fuente: Elaboración propia.
Comparando los dos experimentos se logró determinar que la electrocoagulación es más
eficiente si se acopla al proceso de pre-ozonación; siendo así, el agua residual fue tratada
mediante la combinación de estos dos procesos.
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Una vez concluida la electrocoagulación, el agua tratada se colocó en el filtro de arena
para retirar las partículas suspendidas restantes, dando lugar al color real del agua residual. El
proceso de filtración arrojó los siguientes resultados (véase tabla 4 y gráfica 3).
Tabla 4. Resultados posteriores al proceso de filtración.
Muestra Tiempo Color % R. Color Turbidez % R. Turbidez
0 0 393.66 0 18.43 0
1 20 84.33 78.57 0.31 98.31
2 40 68.33 82.64 0.32 98.26
3 60 80.00 79.67 0.31 98.31
4 120 78.33 80.10 0.3 98.37
5 180 91.66 76.71 0.39 97.88
6 240 96.66 75.44 0.41 97.77
7 300 88.33 77.56 0.31 98.31
8 360 67.00 82.98 0.27 98.53
9 420 94.00 76.12 0.36 98.04
10 480 91.66 76.71 0.4 97.82
Fuente: Elaboración propia.
Gráfica 3. Porcentajes de remoción en relación al tiempo durante el proceso de filtración. Fuente:
Elaboración propia.
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Adsorción
Análisis de las variables de operación
Colocación del medio filtrante
Adición del agua filtrada al filtro
de carbón activado
Análisis de granulometría
Iniciación del proceso
Toma de muestras
Análisis de resultados
Para concluir con el proceso de tratamiento, se llevó a cabo una filtración a través de un
filtro de carbón activado, a lo que se le denomina adsorción. La adsorción es el proceso en el cual
partículas en suspensión que contiene el agua a tratar, son adheridas al carbón activado,
eliminando así, color, sabor y en la mayoría de los casos, olor (García Morales, 2013). La
metodología para este proceso ha sido la siguiente (véase figura 5).
Figura 5. Metodología del proceso de adsorción para el tratamiento del agua residual. Fuente:
Elaboración propia.
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Los resultados obtenidos se muestran a continuación (véase tabla 5 y gráfica 4).
Tabla 5. Resultados posteriores al proceso de adsorción.
Muestra Tiempo Color % R. Color Turbidez % R. Turbidez
0 0 72 0 0.51 0
1 2 0 100 0 100
2 4 0 100 0 100
3 6 0 100 0 100
4 8 0 100 0 100
5 10 0 100 0 100
6 30 0 100 0 100
7 60 0 100 0 100
8 90 0 100 0 100
9 120 0 100 0 100
10 150 0 100 0 100
11 180 2.66 96.30 0 100 Fuente: Elaboración propia.
Gráfica 4. Porcentajes de remoción en relación al tiempo durante el proceso de adsorción. Fuente:
Elaboración propia.
En los resultados anteriores, se logra observar una saturación del carbón activado a los
180 minutos de proceso, por lo que es necesario cambiarlo antes de llegar al tiempo de ruptura
con el fin de obtener resultados óptimos.
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Discusión y conclusiones
Esta investigación tuvo como objetivo analizar y elegir las mejores condiciones que
permiten remover el colorante índigo carmín utilizado en el proceso industrial del teñido de
mezclilla. Utilizando el proceso integrado resultó un aumento en la eficiencia de la eliminación
del color y turbidez en un tiempo mínimo, en comparación con los resultados obtenidos con los
tratamientos individuales.
Al aumentar o disminuir el pH de la muestra por métodos químicos (pH 2 a 9) no conlleva
a la precipitación de los colorantes en la muestra, por lo que es necesario la utilización de un pH
cercano a la neutralidad (pH 7).
Una vez se formaron los reactivos coagulantes se observó la desestabilización del
contaminante coloidal. El incremento del pH en la solución, indica también un incremento de
hidróxidos metálicos que facilitan la formación de flóculos de mayor peso molecular. La
convección generada por el oxígeno producido como reacción secundaria en el ánodo y el
hidrógeno generado debido a la reducción del agua en el cátodo, crea una suave combinación que
ayuda a desestabilizar el coloide floculante formando partículas más grandes.
El comportamiento general de los procesos de electrocoagulación de este trabajo se
caracterizó por la producción de iones metálicos con posterior incremento de sólidos suspendidos
por efecto de las reacciones de la electrocoagulación. Como consecuencia, los primeros tres
minutos del proceso generan un incremento de la concentración del colorante; a medida que
transcurre el tiempo electrolítico los sólidos precipitaron, la concentración disminuyó y se
estabilizó alrededor de los doce minutos.
Es importante señalar que al acoplar los distintos tratamientos de aguas residuales
mencionados en este documento, se logró una remoción del 100% de color y turbidez, así como
un 98% de la Demanda Química de Oxígeno (DQO).
Una vez finalizado el proceso de eliminación de color y turbidez, la segunda etapa del
proyecto consiste en hacer pruebas de toxicidad, las cuales reflejarán si el agua puede ser
utilizada como potable.
Agradecimientos
Se agradece al Programa Delfín por brindarme la oportunidad de obtener nuevos
conocimientos, mismos que serán reforzados con la práctica; a mi alma máter, la Universidad
Autónoma de Guerrero, por proporcionarme las herramientas necesarias para salir adelante
dentro y fuera del Estado; al Dr. Marco Antonio García Morales del Instituto Tecnológico de
Toluca, por aceptar amablemente mi solicitud de ser parte de su gran equipo de trabajo y
colaborar en el proyecto de investigación actual, así como también por sus grandes enseñanzas
tanto laborales, como personales.
Tlamati Sabiduría Volumen 7 Número Especial 2 (2016)
Referencias
Aguilar, E. (2016). Evaluación de la celda de electrocoagulación a escala laboratorio
para el tratamiento de agua. Lima, Perú.
Elabbas, O. (2016). Treatment of highly concentrated tannery wastewater using
electrocoagulation: Influence of the quality of aluminium used for the electrode. . Marruecos.
Eyvaz, M. (2016). Treatment of Brewery Wastewater with Electrocoagulation: Improving
the Process Performance by Using Alternating Pulse Current.
Galvis Riaño, M. (2015). Sistema de remoción de coloides para aguas crudas mediante
electrocoagulación y floculación.
García Morales, M. A. (2013). An integrated electrocoagulation and ozonation process
for removal of indigo carmine dye from denim processing effluent. Toluca, México.
García Vaca, M. C., García Ubaque, C. A., & De Plaza Solórzano, J. S. (2016). Estudio
exploratorio del tratamiento de agua de lavado de tintas por medio de
electrocoagulación/electroflotación. Bogotá, Colombia.
Torrens, A., Molle, P., Boutin, C., & Salgot, M. (2013). Impact of design and operation
variables on the performance of vertical-flow constructed wetlands and intermittent sand filters
treating pond effluent. Barcelona.