Valérie Léveillé Member Name
PhD y Consultora Senior
A veces las soluciones a los problemas más urgentes de la actualidad provienen de las tecnologías que se han usado por largo tiempo en otras aplicaciones. Una de ellas es la electrocoagulación (EC), término que proviene de «electro», que significa aplicar una corriente eléctrica, y «coagulación», que significa hacer que la materia en suspensión o disuelta en el agua forme una aglomeración. En uso desde que se fabricó el primer aparato de EC en la década de 1940 (la primera patente se registró en 1909 en EE. UU.), la EC se ha convertido en una tecnología madura en el campo de la metalurgia y la galvanización.
Ahora la EC se está utilizando cada vez más en un mundo completamente distinto: el tratamiento de aguas contaminadas, como los lixiviados de vertederos, las aguas residuales industriales, las aguas de sentina oleosas, las aguas grises y negras de los barcos, las aguas residuales municipales y las aguas grises domésticas, con el fin de reutilizarlas. Recientemente, Golder comenzó a aplicar esta tecnología en los sectores de la minería, los residuos sólidos y el transporte.
Cómo funciona
Durante la EC el agua contaminada fluye a través de al menos un par de electrodos metálicos, es decir, un ánodo con carga positiva y un cátodo con carga negativa, como se muestra en la siguiente figura.
Proceso de electrocoagulación (fotografía cortesía de E2Metrix)
Los iones metálicos con carga positiva (cationes) dejan el ánodo y se unen a los contaminantes cargados negativamente (aniones) a través de atracción electrostática, hasta que las cargas son neutralizadas. En el lado del cátodo se produce hidrólisis, lo que significa que las moléculas de agua se separan en iones hidrógeno e hidroxilo. Luego, los iones hidroxilo se combinan con los cationes metálicos para formar hidróxidos metálicos, y es sobre estos que los contaminantes se adsorben y absorben. La combinación de abundantes moléculas de hidróxidos metálicos forma los flóculos.
Las burbujas de gas hidrógeno que se forman en el cátodo agitan y empujan los flóculos hacia la superficie, lo que termina separándolos del agua. A veces, cuando no hay suficientes burbujas de gas hidrógeno, los flóculos simplemente se separan del agua por decantación. Adicionalmente, el ánodo o el cátodo pueden atraer los contaminantes disueltos que tienen carga eléctrica, lo que luego permite removerlos del agua.
El resultado es agua tratada, la que en muchos casos se puede liberar al medioambiente o al alcantarillado de la ciudad con solo un mínimo de tratamiento adicional, o se puede volver a usar en procesos industriales como agua para lavar o para actividades domésticas que no requieren agua potable, como la lavandería, la descarga de inodoros o el riego. Los contaminantes se retiran en la forma de un lodo fisicoquímico, que en algunos casos puede someterse a tratamiento adicional para recuperar metales que se pueden vender (y así recuperar parte de los costos de operación) o, si su calidad lo permite, puede utilizarse como fertilizante.
Aplicación de la electrocoagulación a otros problemas globales
Sistema de EC en un contenedor (fotografía cortesía de E2Metrix)
En la actualidad, hay razones para pensar que esta tecnología, usada por largo tiempo en procesos industriales, puede tener un papel muy importante en la solución de los problemas de agua que enfrenta el mundo. En el mercado, está disponible un número cada vez mayor de sistemas que usan EC para el tratamiento de aguas. En un extremo del mercado, se encuentran unidades pequeñas que están en su etapa final de desarrollo y destinadas a un uso doméstico, por ejemplo, a residencias ubicadas lejos de las plantas de tratamiento municipales. También se han desarrollado unidades compactas y durables para el tratamiento de aguas residuales a bordo de barcos, capaces de seguir funcionando incluso cuando el barco se inclina y sacude durante las tormentas. También se han probado otras unidades de EC dentro de contenedores en bases militares para evaluar su capacidad de desplegarse rápidamente.
Se han desarrollado sistemas más grandes de EC para tratar los lixiviados de los rellenos sanitarios y las aguas residuales industriales, como también las aguas mina, que son aguas que fluyen desde una mina y a menudo contienen sales, metales y nitrógeno en forma de amoniaco.
Investigaciones recientes han demostrado que se puede modificar la EC para remover contaminantes específicos. Por ejemplo, se ha demostrado que los ánodos con magnesio son efectivos para remover nitrógeno amoniacal durante el proceso de formación de estruvita (un mineral formado por una concentración equimolar de ortofosfato, amonio y magnesio).
También se han hecho avances significativos durante los últimos años en cuanto a métodos para limpiar la superficie del ánodo y del cátodo de contaminantes y detritos, de manera que puedan mantener su capacidad de liberar cationes, iones hidroxilo y burbujas de gas hidrógeno.
La EC sirve para eliminar una amplia gama de contaminantes, tanto disueltos como en suspensión. Esto incluye muchos contaminantes que son difíciles de eliminar por otros métodos, entre ellos el cianuro, el fluoruro, el azufre y los fenoles. Todo esto hace de la EC en una buena solución, particularmente cuando hay un flujo de agua residual con muchos contaminantes diferentes y en donde se necesita tratar el agua con un único proceso.
Recientemente, los investigadores han descubierto que se puede modificar el proceso usando diferentes metales en el ánodo y el cátodo para eliminar los contaminantes que son particularmente preocupantes. Esto incluye usar ánodos de magnesio para ayudar a eliminar nitrógeno amoniacal o usar electrodos de zinc para eliminar sustancias per- y polifluoroalquiladas, conocidas como PFAS.
A diferencia de la coagulación asistida químicamente, con la EC no es necesario agregar ningún producto químico, con una única excepción: cuando se requiere eliminar ciertos contaminantes específicos, como el nitrógeno amoniacal, a través de la formación de estruvita en un agua que no tiene suficiente magnesio u ortofosfato. Y, a diferencia de los tratamientos biológicos, se enciende instantáneamente al presionar un botón que pone el proceso en marcha. Más aún, el tiempo de residencia del agua en el reactor de EC es bastante corto (20 minutos o menos), lo que lo convierte en un sistema compacto y eficiente. Además, el consumo de electricidad de la EC es bastante razonable, del orden de 1 kW/m3 o menos, dependiendo de la conductividad eléctrica del agua.
¿Una solución económica?
En la actualidad, debido a su estructura de costos, la EC se emplea principalmente en flujos de aguas residuales que son particularmente desafiantes, de los que es necesario remover múltiples contaminantes. Sin embargo, la EC se está convirtiendo rápidamente en una solución económica para un amplio abanico de situaciones, gracias a las mejoras en su rendimiento y fiabilidad para tratar distintos tipos de aguas. Los costos de operación de la EC varían dependiendo de la naturaleza, conductividad eléctrica y volumen de agua residual a tratar, siendo típicamente de dos a tres centavos de dólar por metro cúbico. Esta es una cifra competitiva al compararla con los tratamientos convencionales y con los nuevos tratamientos disponibles en el mercado, como el carbón activado granular u otro medio adsorbente, la coagulación química, la osmosis inversa, entre otros.
En general, se puede decir que la EC es una nueva alternativa a los tratamientos convencionales, como los biológicos, las filtraciones y la coagulación química. Las principales ventajas de la EC sobre estos son su relativamente poca necesidad de espacio, el ser modular, y la robustez y rapidez del tratamiento sin el uso de productos químicos. Sin embargo, la aplicación de la EC no siempre cumple con los requisitos de tratamiento de aguas residuales, por lo que se debe estudiar su factibilidad en comparación con otros tipos de tratamiento.
Las actividades de investigación y desarrollo de Golder en este tema están ayudando a expandir los límites del uso de la EC para el tratamiento de aguas, haciéndola más práctica, útil y económica. Esto ha incluido el diseño de un sistema de tratamiento cuya puesta en marcha se espera para el segundo trimestre de 2019 y que incluye el uso de EC para aguas subterráneas contaminadas por lixiviados de un vertedero municipal. Golder también ha demostrado que la EC es práctica para el tratamiento de aguas mina durante ensayos de laboratorio y pruebas piloto, como también en proyectos del sector transporte, y está ayudando a mejorar la eficacia de un sistema de EC existente usado para tratar aguas residuales con petróleo y grasa, e incluso con tensioactivos utilizados para lavar grandes vehículos de carga, como vagones de ferrocarril.
