REMOCIÓN DE SÍLICE, EN AGUA, MEDIANTE ELECTROGENERACIÓN DE ALUMINIO.

 

 

SILICA REMOVAL IN WATER BY ALUMINUM ELECTROGENERATION.

Alejandro Gutiérrez [1]*, Sílvia L. Gélover Santiago2, Alejandra Martín Domínguez2

1 Universidad Autónoma Metropolitana campus Iztapalapa.2 Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, IMTA.

RESUMEN.

Se presentan los resultados del estudio de la generación por electrólisis de aluminio, como agente coagulante, para remoción de sílice en agua para reposición (make-up) en torres de enfriamiento. Se probaron tres sistemas electroquímicos, dos de ellos con electrodos de aluminio (con y sin cambio de polaridad) y un tercer sistema con ánodos de aluminio y cátodos de acero inoxidable. De los resultados obtenidos se ha concluido que, a las condiciones estudiadas, el sistema que ofrece más ventajas para la producción de aluminio y remoción de sílice es aquel en que ambos electrodos son de aluminio y trabajan con corriente directa ya que, gracias a la producción química de aluminio en el cátodo, las concentraciones de aluminio en agua a la salida del reactor son muy superiores a las calculadas por aplicación de la ecuación de Faraday. Bajo las condiciones probadas se logró remover hasta un 66% de sílice de agua de pozo conteniendo del orden de 50 mgL-1.

Palabras clave: Generación de aluminio, electrólisis, agentes coagulantes, remoción sílice.

ABSTRACT.

The Study results generation by electrolysis of aluminum, as coagulant for silica removal for replacement water (make-up) in cooling towers are presented. Three electrochemical systems, two of them with aluminum electrodes (with and without change of polarity) and a third system with aluminum anodes and stainless steel cathodes were tested. From the results it was concluded that the conditions studied, the system offers more advantages for the production of aluminum and removal of silica is one in which both electrodes are made of aluminum and work with direct current because, thanks to the chemical production aluminum at the cathode, aluminum concentrations in water at the reactor outlet are much higher than those calculated by applying equation Faraday. Under the conditions tested were able to remove up to 66% silica containing well water of about 50 mg L-1.

 

Keywords: Generation aluminum, electrolysis, coagulating agents, silica removal.

INTRODUCCIÓN.

La presencia de sílice en el agua utilizada en sistemas de enfriamiento, representa un riesgo importante de incrustaciones, especialmente en regiones de suelos volcánicos como México, en donde las concentraciones en agua proveniente de pozos pueden tener valores relativamente altos, como 50 u 80 mgL-1. A fin de evitar incrustaciones, el agua circulante es constantemente sustituida, lo que implica altos consumos en agua de repuesto con bajo contenido de incrustantes. Si el agua disponible no es buena, debe ser tratada, lo que permite incrementar los ciclos de concentración, o recircular el agua un mayor número de veces antes de purgarla a causa del incremento en el contenido de sales disueltas y sílice.

De acuerdo a la literatura, los iones de aluminio, Al3+, precipitan sílice soluble en el intervalo de 5<pH<11 pero se requieren al menos cuatro partes de aluminio por cada parte de sílice. Los iones aluminio pueden añadirse al agua en forma de un coagulante químico como el sulfato o policloruro de aluminio, ambos utilizados comúnmente en el tratamiento de agua (Iler 1979). Sin embargo, al adicionar estas sales, se incrementa la concentración del anión en el agua tratada, lo que resulta indeseable para las torres de enfriamiento, ya que estas especies son corrosivas (cloruros) o incrustantes (sulfatos). Por lo que surge la propuesta de, mediante electrocoagulación, producir iones aluminio, con la ventaja de que de esta manera no se incrementan los sólidos disueltos en el agua tratada.

La electrocoagulación con electrodos de aluminio ha sido utilizada para retirar gran variedad de contaminantes del agua (Holt y col., 2005) y en el IMTA, esta metodología está siendo evaluada como una opción para remover sílice de agua para torres de enfriamiento. Por lo anterior, se estudia la manera de producir electroquímicamente aluminio, que remueva eficientemente sílice y, al mismo tiempo, minimice el consumo energético asociado.

Una de las principales causas que se ha identificado como limitante del uso de la electrocoagulación para la remoción de sílice es la pasivación de los electrodos. Foley y Nguyen (Foley y Nguyen, 1982), realizaron estudios del aluminio metálico en disoluciones que contienen cloruros, rápidamente se ioniza para generar iones Al3+, que son hidrolizados. El cloruro reacciona con el aluminio hidrolizado para formar un cloruro de aluminio básico relativamente estable que se trasforma lentamente a Al(OH)3 y finalmente a Al2O3·H2O, compuesto que juega un papel muy importante en la pasivación de aluminio.

En ensayos preliminares, no presentados en este trabajo, se observó que la producción de aluminio rebasa los valores calculados, al usar la ecuación de Faraday, para la producción anódica de aluminio, hasta en más del 200 %. De acuerdo con lo reportado por Robinson, Mouedhena y colaboradores (Robinson, 2004; Mouedhena y col., 2008) esto se debe al ataque, por el agua y los hidroxilos (OH) producidos por el aluminio en el cátodo, que se haya susceptible al haber perdido la capa protectora de óxido que le caracteriza, como consecuencia del fuerte incremento local en el pH generado a la par de la formación de hidrógeno en la reacción catódica. El aluminio producido en el cátodo es muy susceptible de formar depósitos sobre el electrodo (Robinson, 2004), causando pasivación, lo que se traduce en obstrucción física sobre el electrodo y un mayor consumo energético, así como necesidad de lavado de los electrodos para limpiarlos de depósitos con el consecuente consumo de tiempo, energía y reactivos.

En la revisión de la literatura sobre el tema, se encontraron dos estrategias para tratar de minimizar la formación de precipitados pasivantes de los electrodos, una de ellas consiste en la introducción de cambios en la polaridad de la corriente aplicada al sistema (Mao y col., 2008), la otra, consiste en la sustitución de los cátodos de aluminio por cátodos de acero inoxidable (Robinson, 2004).

En este trabajo se presentan los resultados obtenidos al estudiar ambas estrategias, durante ensayos realizados con la finalidad de remover sílice del agua.

MATERIALES Y MÉTODOS.

Descripción del sistema de electrocoagulación.

Las pruebas se realizaron en un reactor rectangular de acrílico que trabaja a flujo pistón (Martín-Domínguez y col., 2008), en donde los electrodos funcionan como pantallas deflectoras (Figura 1).

Esta configuración disminuye los problemas de zonas muertas y cortos circuitos hidráulicos. Por otro lado, cada canal funciona como una celda independiente y, a medida que el flujo va pasando por el reactor, va aumentando su concentración en Al3+ conforme avanza hacia la salida. El reactor posee 30 pares de electrodos, 30 electrodos fungen como ánodos y los otros 30 como cátodos.

Las dimensiones de cada electrodo son 8 x 4 x 0.5 cm., y el espaciamiento entre electrodos fue de 0.6 cm., el reactor se conectó a un manómetro de mercurio para medir la pérdida de carga en el reactor a través de la diferencia de altura (ΔH) en la columna de mercurio, ésta permitió calcular los gradientes de mezclado (G s-1) en el interior del reactor.

Figura1

Figura 1. Vista de perfil y planta del reactor utilizado para la producción de aluminio, a) distancia entre electrodos 0.6 cm., b) distancia entre el extremo del electrodo y la pared del reactor, 0.5 cm., be) largo del electrodo (8cm.) y h) alto del electrodo (4cm.).

El reactor de electrocoagulación (EC) trabajó en línea con un sistema complementario de tratamiento que consta de un floculador y un sedimentador de acrílico (Figura 2). Hacia estas unidades de tratamiento, se derivó 1 L min-1 del efluente del reactor, el caudal se midió con un rotámetro a la entrada del floculador. Estas lecturas fueron verificadas con probeta y cronómetro en mano a la salida del sedimentador. El floculador es de agitación mecánica y consiste de tres cámaras comunicadas entre sí. Cada cámara es de 0.20 x 0.20 x 0.30 (largo x ancho x altura) y posee un agitador en forma de paleta de 20 cm. de alto. El sedimentador cuenta con 35 placas de acrílico en diagonal.

Figura2

Figura 2. Aspecto de las unidades de floculación y sedimentación. Los gradientes en las cámaras de floculación fueron: 80, 60 y 40 s-1

Las condiciones experimentales fueron seleccionadas con la finalidad de determinar la eficiencia en la producción de aluminio y determinar su relación con la remoción de sílice presente en agua. Se trató de encontrar las diferencias para dos casos teniendo como referencia un tercer sistema cuya eficiencia se determinó con anterioridad (Villegas, 2009). En cada caso, se calculó teóricamente, de acuerdo a la Ley de Faraday, y considerando el margen de sobreproducción de aluminio previamente observado, la corriente requerida para generar una concentración de aluminio suficiente para la formación de flocs de hidróxido de aluminio, la cual previamente se ha determinado para el mismo reactor y que es de, aproximadamente, 36 mgL-1. La formación de flocs es un requisito para que haya remoción de sílice, por lo que además se consideró en cada caso, el caudal de agua tratado, para alcanzar la concentración de aluminio formadora de flocs. Para las pruebas se empleó agua de pozo de 48 ± 2 mgL-1 de sílice y 250 µScm-1 de conductividad, sin embargo para realizar los experimentos la conductividad se incrementó a aproximadamente 1100 µScm-1 con NaCl (1053 ±103 µScm-1), para disminuir la resistencia de la disolución. El equipo utilizado para abastecer de energía al reactor fue una fuente de poder Sorensen modelo DLM 40-15 con control de 0-40 V y 0-15 A.

En todos los experimentos, la pérdida de carga, el voltaje, y el gasto de operación, se monitorearon a los 15 min de haber iniciado la prueba, posteriormente a los 30 minutos y después cada hora hasta las 5 hrs de operación. Se monitoreó la eficiencia electroquímica del reactor midiendo el aluminio producido a la salida éste por el método Aluver en un espectrofotómetro Hach DR 2010, cada hora a partir de la 2da h de tratamiento. También se determinó aluminio y sílice a la salida del sedimentador, a las 3, 4 y 5h de tratamiento, con lo que fue posible calcular la relación aluminio producido/sílice removida (Alp/SiO2r). La concentración de sílice se midió mediante el método del Molibdato con reactivos y equipo Hach.

Para la cuantificación de Sílice y Aluminio se consideraron los siguientes tiempos de reacción: 2, 3, 4 y 5 horas. Cada experimento se realizó por triplicado, obteniéndose 12 valores para cada valoración.

Condiciones de reacción

El objetivo de variar las condiciones ha sido determinar si es posible mejorar la remoción de sílice, previamente evaluada para el sistema tomado como referencia, ya sea por aplicación de cambio en la polaridad de los electrodos de aluminio o por cambio de los cátodos de aluminio a acero inoxidable. En cualquier caso se busca el sistema que optimice la remoción de sílice, minimice la pasivación de los electrodos y tenga el menor costo. Así mismo se buscó determinar si todo el aluminio producido, en aquellos casos en que se produce en exceso del esperado por aplicación de la ecuación de Faraday, es eficiente en la remoción de sílice.

Se analizaron dos casos. En el primero se realizó la comparación entre un sistema con electrodos de aluminio bajo corriente directa (Al-Al-CD) (Mouedhena y col., 2008), que se tomó como referencia o punto de comparación, y uno igual al descrito excepto por el hecho de que se aplicó corriente pulsada o con cambio de polaridad cada 15 min (Al-Al-CP). En el segundo se ha comparado el sistema tomado como referencia (Al-Al-CD), con un sistema en el que sólo los ánodos son de aluminio, ya que los cátodos han sido cambiados a electrodos de acero inoxidable-316 y se ha trabajado sólo bajo corriente directa (Al-Ac.Inox-CD). El tiempo de operación del reactor fue de 5 hrs en todos los casos. Y cada una de las tres condiciones probadas fue realizada por triplicado en días diferentes.

  1. a) Al-Al-CP vs. Al-Al-CD.

Para realizar la comparación entre los sistemas con electrodos de aluminio, se tomó como parámetro de referencia la densidad de corriente, que fue de 0.0048 Acm-2 En el sistema Al-Al-CP, la polaridad se invirtió cada 15 min, con lo que los electrodos que inicialmente actuaban como ánodos pasaban a funcionar como cátodos y viceversa. Durante el lapso en que ocurría la inversión de polaridad ambos cátodos dejaban de recibir energía eléctrica por algunas décimas de segundo.

  1. b) Al-Ac. Inox-CD vs. Al-Al-CD.

En este caso, el parámetro que se seleccionó para comparar ambos sistemas fue la concentración de aluminio a la salida del reactor.

  1. a) Al-Al-CP vs. Al-Al-CD.

En ambos sistemas se aplicó una densidad de corriente de 0.0048 Acm-2, el potencial inicialmente aplicado fue de 6.1 V, mismo que decreció en promedio 0.33 V, después de cinco horas de operación continua. El incremento en el potencial se asocia a la pasivación de los electrodos. En ninguno de los casos, se observó pasivación, ya que en vez de incremento en el potencial se observó una ligera disminución. Esta observación e congruente con lo observado previamente para el sistema, ya que en un estudio previo (Martín-Domínguez y col., 2008), se obtuvo evidencia de que el trabajar a bajas densidades de corriente se minimiza la pasivación de los electrodos.

Al trabajar con el mismo flujo en ambos sistemas, la concentración de aluminio producida por litro de agua a tratar sería la misma. Esta concentración objetivo fue de 35 mgL-1, aunque en algunos casos se rebasó, tal como se puede observar en la Tabla 1 que resume los valores para las diferentes pruebas.

Tabla 1 Condiciones de operación y resultados obtenidos para los sistemas Al-Al-CP, Al-Al-CD y Al-Ac. Inox-CD.

Tabla 1

Tabla 1. * Valores de aluminio esperados, considerando la ecuación de Faraday y un porcentaje de sobreproducción previamente observado.

CONCLUSIÓN.

De los sistemas estudiados y bajo las condiciones seleccionadas, el sistema con electrodos de aluminio y aplicación de corriente directa no mostró diferencias significativas con los sistemas alternos probados a fin de optimizar la remoción de sílice y el consumo energético asociado.

La eficiencia en la producción de aluminio para los sistemas Al-Al se atribuye a la producción química de aluminio en el cátodo.

La remoción de sílice obtenida con 35 mg L-1 de aluminio (Al-Al-CD) resultó estadísticamente indistinguible de la obtenida con los otros sistemas. Se observó que un incremento en el aluminio producido de casi 20% (42 mgL-1 de aluminio en el sistema Al-Ac.Inox-CD) no logró mejorar los porcentajes de remoción de sílice. Esto indica que no necesariamente una mayor producción de aluminio implica una mayor remoción de sílice.

De hecho lo que se pudo observar es que, para las condiciones probadas, aproximadamente 35 mg L-1 son suficientes para remover hasta 66% de la sílice presente. En cuanto a la relación Alp/SiO2r., tampoco hubo diferencias significativas.

 

Los resultados de remoción de sílice para los sistemas alternos probados no fueron significativamente diferentes de los del sistema tomado como referencia, por lo que no se justifica, hasta este momento y con las condiciones probadas, el uso ni de corriente pulsada ni de cátodos de acero inoxidable.

REFERENCIAS.

  1. Martín-Domínguez, Ma. L Rivera, M. Piña, S. Pérez. (2008). Interciencia, 33 [7], 496.
  2. Mouedhena, M. Feki, M. De Petris Wery, H.F. Ayedi. (2008). Journal of Hazardous Materials, 150, 124.
  3. R. Iler. (1979). The Chemistry of Silica. Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties, and Biochemistry. John Wiley & Sons, USA.
  4. K. Holt, G. W. Barton, C. A. Mitchell. (2005). Chemosphere, 59, 355.
  5. T. Foley y I.H Nguyen. (1982). J. Electrochem. Soc., 192, 129.
  6. N. E Robinson. (2004). Patent No. US 6,800,206 B2. Date of Patent Oct. 5, 2004. Electrolysis based water treatment.
  7. Villegas M. I. E. (2009). Remoción de sílice en agua para uso en torres de enfriamiento mediante un método electroquímico. Tesis de licenciatura. UAEM.
  8. Mao, S. Hong, H. Zhu, H. Lin, L. Wei, F. Gan. (2008). Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed.

Alejandro Gutiérrez [1]*, Sílvia L. Gélover Santiago2, Alejandra Martín Domínguez2

1 Universidad Autónoma Metropolitana campus Iztapalapa.2 Instituto Mexicano de Tecnología del Agua, IMTA.

[1] * Autor para la correspondencia: Alejandro Gutiérrez

  E-mail: alex_gutierrez873@hotmail.com