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Henry Reyes Pineda Ph.D MsC
Tratamientos de aguas residuales mediante un reactor electroquímico
de compartimentos separados
Universidad del Quindío
Facultad de Ciencias Básicas y Tecnologías
Facultad de Ciencias Agroindustriales
PROYECTO:
Desarrollo de membranas cerámicas para el tratamiento y recuperación de
baños de cromado con elevado contenido en Cr(VI). Ministerio de Ciencia y
Tecnología. Proyecto PROFIT.
CONGRESOS:
Regeneration of etching solutions using electrochemical reactors provide
with porous diaphragms. 16th International Congress of Chemical ando
Process Engineering. Praga 2006. Pérez-Herranz, V.,Reyes, H., Guiñón,
J.L., García-Antón, J.
EUROMEMBRANE 2008. Giardini. Naxos.
Italia 25th Meeting of The Mexican Electrochemical Society and 3rd
Meeting of the Mexican Section of the Electrochemical Society. Zacatecas
2010
PUBLICACIONES:
Membrane electrochemical reactor for continuous regeneration of spent
chromium plating baths. Sánchez, E., Mestre, S., Pérez-Herranz, V.,
Reyes, H., Añó, E.: Desalination 200 (2006) pp 668-670.
Regeneration of Hexavalent Chromium from a Simulated Rinse Etching
Solution Using an Electrochemical Reactor With Two Compartments
Separated by a Ceramic Membrane . H. Reyes, Pérez-Herranz, V., García-
Gabaldón M. Int. J. Electrochem. Sci., 6 (2011) 1493 – 1507.
Hexavalent Chromium Recovery by Electrochemical Reactor of Ceramic
Spacers Compartments Separated by Potentiostat Operating Mode. H.
Reyes Pineda. Pérez- Herranz. V. ECS Transactions Issue 4 Vol. 29 (2010)
919 - 934
CONCLUSIONES
Estudio reactor electroquímico
a escala de laboratorio
INTRODUCCIÓN
Caracterización de los
separadores cerámicos
Diferente
presión
Modo
Galvanostático
Modo
Potenciostático
Modelamiento reactor a escala
piloto
DTR
Dos
compartimentos
Diferente
composición
Aplicaciones
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
• Gran variedad de sustratos metálicos y no metálicos.
• Dureza, resistencia al desgaste y a la corrosión, uniformidad del
depósito.
• Materiales no conductores (vidrio, cerámica o plástico).
• Interés industrial en metalizado plásticos: bajo costo, no
necesitan operaciones secundarias, libertad en diseño de piezas y
reducción de peso de las mismas.
• Capa conductora sobre el sustrato de plástico para preparar la
pieza para el metalizado electrolítico.
• El ABS (acrilonotrilo-butadieno-estireno) es el plástico más
empleado en la industria del metalizado.
Introducción: Metalizado de Plásticos
Introducción: Metalizado de Plásticos
ABS (Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno)
Moléculas de
Butadieno Matriz del Copolímero
Estireno-Acrilonitrilo
Introducción: Metalizado de Plásticos
MORDENTADO NEUTRALIZADO ENJUAGUES
ACELERACIÓN ENJUAGUES ACTIVADO
METALIZADO
Introducción: Metalizado de Plásticos
MORDENTADO
Oxidación del Butadieno
en la Superficie por el Ácido Crómico -Ácido Crómico (400 g/l)
-Ácido Sulfúrico
Cr6+ + Butadieno Cr3+ + Subproductos
Introducción: Metalizado de Plásticos
ACTIVADO
Pdo
Pdo Pdo Pdo Pdo Pdo Pdo Pdo
Pdo Pdo
Pdo
Pdo
Pdo Pdo Pdo Pdo
Pdo Pdo Pdo Pdo Pdo Pdo Pdo Pdo
Pdo
Pdo
Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+
Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+
Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+
Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+ Sn2+Sn2+
Sn2+Sn2+
Sn2+
Sn2+
Sn2+
Sn2+
Sn2+
Sn2+
Sn2+
Sn2+
Sn2+
Sn2+
Sn2+
Sn2+
12 g/l SnCl2
0.25 mg/l PdCl2
1 M HCl Coloide de Sn(II) y Pd(0)
Adsorción Superficial
Introducción: Metalizado de Plásticos
METALIZADO
Ni2+ + 2e- Nio Pdo
Pdo
Pdo Pdo Pdo Pdo Pdo Pdo Pdo
Pdo Pdo
Pdo Pdo Pdo Pdo
Pdo Pdo Pdo Pdo Pdo Pdo Pdo Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Cr2O7-2 +14H+ → 2Cr+3 + 7H2O
Aumento de [Cr+3] = 40 g/l → baño se agota
BAÑOS RESULTANTES DE ETAPA DE MORDENTADO:
- Soluciones fuertemente contaminadas con Cr(III), Cr(VI), H2SO4
- Generan problemas de almacenamiento, transporte y descarga.
Introducción: Metalizado de Plásticos
Fase de mordentado
Introducción: Metalizado de Plásticos
TRATAMIENTO DE EFLUENTES
MEMBRANAS DE INTERCAMBIO IÓNICO
- Baja estabilidad química y térmica.
-Polarización por concentración.
SEPARADORES CERÁMICOS
- Más estables y baratos.
- Alta resistencia mecánica, química y térmica.
Permeabilidad y selectividad no importan.
Introducción: Metalizado de Plásticos
SEPARADORES CERÁMICOS
- Más estables y baratos
- Alta resistencia mecánica, química y térmica
-Permeabilidad y selectividad no importan
MEMBRANAS DE INTERCAMBIO IÓNICO
- Baja estabilidad química y térmica
- Polarización por concentración
TRATAMIENTO DE EFLUENTES
Introducción: Métodos de Tratamiento
Reactor de compartimentos separados
Ánodo (+) Cátodo (-)
Separador cerámico
Cr+3
Cr2O7-2
H2
H+
Compartimento
catódico
Compartimento
anódico
Cr2O7-2
Cr+3
SO4-2 SO4
-2
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
Objetivos
Caracterización de los
separadores cerámicos Desarrollo del reactor
electroquímico
Estudio del reactor electroquímico
a escala de laboratorio
Estudio del reactor electroquímico
a escala piloto
Selección del separador
cerámico
DTR. Aplicación real
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
Metodología
Estudio del reactor electroquímico a escala de
laboratorio
Metodología
Estudio del reactor electroquímico a escala piloto
con dos compartimentos
Metodología
Estudio del reactor electroquímico a escala de laboratorio
CONDICIONES DE OPERACIÓN
Efecto de la presión de fabricación
Efecto del contenido en almidón
Potencial de celda constante: 10 y 15 V
Intensidad de celda constante: 1.5 y 2.5 A
Metodología
Estudio del reactor electroquímico a escala piloto
con tres compartimentos
Metodología
Estudio del reactor electroquímico a escala piloto
CONDICIONES DE OPERACIÓN
DTR:
PROMOTORES:
- Bolas de vidrio 3 y 5 mm diámetro medio.
-Partículas porosas de grafito 5 mm de diámetro medio
CAUDAL:
6, 10, 20, 30, 40, 50 y 60 l/h
APLICACIÓN RECUPERACIÓN BAÑOS DE MORDENTADO: Potencial de celda constante: 5 y 7.5 V Intensidad constante: 4 y 8 A
Metodología
Reactor electroquímico a escala piloto
Metodología
Determinación de Cr (III) y Cr (VI)
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0 20 40 60 80 100 120
[Cr] (ppm)
Ab
so
rba
nc
ia
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
- Caracterización de los separadores
- Reactor electroquímico a escala de laboratorio
- Reactor electroquímico a escala piloto
- DTR
- Recuperación de los baños de mordentado
CONCLUSIONES
SEPARADORES UTILIZADOS
SEPARAD. COMPOSIC. PRESIÓN
(kg·cm-2)
dp
(µm)
ρ
(g·cm-3)
e
(cm)
S-0-250 50.5% caolín
49.5% alúmina 250 0.37 0.500 1.60 0.67
S-0-500 50.5% caolín
49.5% alúmina 500 0.28 0.483 1.79 0.66
S-0-700 50.5% caolín
49.5% alúmina 700 0.27 0.456 1.86 0.64
S-0-900 50.5% caolín
49.5% alúmina 900 0.26 0.428 1.9 0.62
S-5-250
47.9%caolín, 47.1% alúmina
5% almidón 250 0.43 0.546 1.59 0.71
S-10-250
45.4% caolín,
44.6 % alúmina
10% almidón 250 0.46 0.584 1.51 0.71
S-15-250
42.9% caolín
42.1% alúmina
15% almidón 250 0.52 0.624 1.33 0.78
S-20-250
40.4 % caolín
39.6% alúmina
20% almidón 250 0.68 0.632 1.23 0.79
Caracterización de separadores
Distribución de tamaño de poro. Efecto de la presión
0
50
100
0.01 0.1 1 10dp (µm)
Vo
lum
en
de
In
tru
sió
n (
cm
3 g
-1)·
10
3
S-0-250
S-0-500
S-0-700
S-0-900
Caracterización de separadores
0
50
100
0.01 0.1 1 10dp (µm)
Vo
lum
en
de
In
tru
sió
n (
cm
3 g
-1)·
10
3
S-5-250
S-20-250
Distribución de tamaño de poro. Efecto en almidón
Caracterización de separadores
ef
cf
nef
c bf
Factor de la conductividad fc y conductividad
efectiva ef
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
-Caracterización de los separadores
- Reactor electroquímico a escala de laboratorio
- Reactor electroquímico a escala piloto
- DTR
- Recuperación de los baños de mordentado
CONCLUSIONES
Reactor electroquímico a escala de laboratorio
Grado de Conversión:
Rendimiento Eléctrico:
Productividad Específica:
Energía Específica:
Tiempos Teóricos, t100:
Co
tCCotX
)()(
100
dt)t(I
V)t(CConF)t(
t
0
t
)t(CCoM)t(
)t(X·Co·V·M
dt)t(I)·t(UcE
t
0S
CVFndttIt
100
0)(
Efecto de la presión a potencial de celda constante
Reactor electroquímico a escala de laboratorio
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0 50 100 150 200 250
Tiempo(min)
Inte
ns (
A)
S-O-250
S-O-500
S-O-700
S-O-900
IREU caeqC
Evolución del grado de conversión con el tiempo. Efecto de la
presión. Potencial de celda constante
Reactor electroquímico a escala de laboratorio
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 50 100 150 200 250
Tiempo(min)
X
S-0-250 S-0-500 S-0-700 S-0-900
)··exp(1)( taktX e
Operación a potencial de celda constante
Reactor electroquímico a escala de laboratorio
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0 50 100 150 200 250
Tiempo (min)
ln(1
-X)
15 V
10 V
R2 = 0.999
R2 = 0.979
k·ae = 0.0128
k·ae= 0.0058
Reactor electroquímico a escala de laboratorio
Evolución del rendimiento eléctrico con el tiempo. Efecto de
la presión. Potencial de celda constante
0
5
10
15
20
25
0 50 100 150 200 250
Tiempo(min)
(
%)
S-0-250
S-0-500
S-0-700
S-0-900
Evolución de la productividad específica con el tiempo.
Efecto de la presión. Potencial de celda constante
Reactor electroquímico a escala de laboratorio
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
0 50 100 150 200 250
Tiempo(min)
(
g.L
-1.h
-1)
S-O-250
S-O-500
S-0-700
S-0-900
Evolución de la energía específica con el tiempo. Efecto de
la presión. Potencial de celda constante
Reactor electroquímico a escala de laboratorio
0
100
200
300
400
500
600
700
0 50 100 150 200 250
Tiempo(min)
Es (
kW
h.k
g-1
)
S-0-250
S-0-500
S-0-700
S-0-900
Reactor electroquímico a escala de laboratorio
SEPARADOR t100(min) X (%) (g·l-1h-1) Es(kW·h·kg-1) k·ae(min-1)
S-0-250 10 V 60.88 0.219 21.21 1.35 70.17 0.0058
S-0-250 1.5 A 47.68 0.390 36.59 1.74 45.19 0.0052
S-5-250 10 V 90.27 0.202 19.21 1.219 75.93 0.0050
S-5-250 1.5 A 123.52 0.315 22.50 1.525 48.61 0.0046
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
- Caracterización de los separadores
- Reactor electroquímico a escala de laboratorio
- Reactor electroquímico a escala piloto
- DTR
- Recuperación de los baños de mordentado
CONCLUSIONES
Reactor electroquímico a escala piloto
DTR: Promotores de turbulencia.
Comportamiento del reactor con baños agotados de
mordentado reales: Dos y tres compartimentos
Principales “figuras de mérito” del reactor a potencial
de celda constante e intensidad constante.
Reactor electroquímico a escala piloto
DTR: Promotores de turbulencia.
Comportamiento del reactor con baños agotados de
mordentado reales: Dos y tres compartimentos
Principales “figuras de mérito” del reactor a
potencial de celda constante e intensidad constante.
Promotores de vidrio 5 mm diámetro medio. Q = 20 l/h
Entrada y salida normalizado
Reactor electroquímico a escala piloto
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
t (min)
n
orm
entrada
salida
Reactor electroquímico a escala piloto
x
C
x
C
Pe
C
2
21
0
0
0·
dt
dtt
t
o
m
2
0
0
0
2
2
m
o
t
dt
dtt
2
2 82
uL
D
uL
D
DISPERSIÓN BAJA: D/uL < 0.01
DISPERSIÓN ALTA: D/uL > 0.01 REACTOR ABIERTO
2
22
mt
uLDuLDE
/4
1exp
/2
12
uLDuLDE
/4
1exp
/2
12
uL
D22
Promotores de vidrio 5 mm diámetro medio. Q = 20 l/h Salida
exp. y calculado
Reactor electroquímico a escala piloto
0
1
2
3
4
5
6
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
t (min)
sn
orm
uLDuLDE
/4
1exp
/2
12
Modelo Matemático
Reactor electroquímico a escala piloto
x
C
x
C
Pet
Ctm
2
21tm = L / u y Pe = Lu/ D
1
12
1
2
1
12 2
112
2
11
j
i
j
i
mj
i CxxPe
CxPet
tC
xxPe
j
i
m Ct
t
j
n
mj
n
mj
n Ct
tC
xPet
tC
xPe
1
2
1
12
22
1
1
1
2
1
12
2222
j
in
jmj
i
jm CPex
Ct
tC
xPeCPe
xxPet
t
Promotores de vidrio 5 mm diámetro medio.
Salida exp. y modelizado. Q = 20 l/h
Reactor electroquímico a escala piloto
0
1
2
3
4
5
6
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
t (min)
sn
orm
x
C
x
C
Pet
Ctmed
2
21
Efecto de los promotores de turbulencia sobre la DTR
Reactor electroquímico a escala piloto
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 0.1 0.2 0.3 0.4
Tiempo (min)
(
mS
/cm
)
30 l/h 5 mm exp.
30 l/h 5 mm calc.
30 l/h 3 mm exp.
30 l/h 3 mm calc.
30 l/h grafito exp.
30 l/h grafito calc.
Variación del coeficiente de dispersión frente al
número de Re
Reactor electroquímico a escala piloto
0.01
0.1
1
1 10 100 1000
Re
L u
D
Variación de D frente al número de Re
Reactor electroquímico a escala piloto
1.E-07
1.E-06
1.E-05
1.E-04
1.0 10.0 100.0 1000.0
Re
D (
m2/s
)
945.08 Re10·65.7 D
R2 = 0.965
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
- Caracterización de los separadores
- Reactor electroquímico a escala de laboratorio
- Reactor electroquímico a escala piloto
- DTR
- Recuperación de los baños de mordentado
CONCLUSIONES
Reactor electroquímico a escala piloto
Operación a voltaje de celda constante.
Reactor con dos compartimentos
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Tiempo (min)
I (A
)
5 V
7.5 V
Reactor electroquímico a escala piloto
Evolución del grado de conversión con el tiempo.
Reactor con dos compartimentos
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Tiempo (min)
X
5 V
7.5 V
R
S
Xt
tX
exp1
Reactor electroquímico a escala piloto
Operación a voltaje de celda constante.
Reactor con dos compartimentos
XR/τS = 0.0152
XR/τS = 0.013
-1.6
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0 500 1000 1500 2000 2500
Tiempo (min)
ln (
1-X
)
5 V
7.5 V
R2 = 0.981
R2 = 0.989
Reactor electroquímico a escala piloto
Evolución del rendimiento eléctrico con el tiempo
Reactor con dos compartimentos
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Tiempo (min)
(
%)
5 V
7.5 V
Reactor electroquímico a escala piloto
Evolución de la productividad específica con el tiempo
Reactor con dos compartimentos
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Tiempo (min)
(
g∙l
-1∙h
-1)
5 V
7.5 V
Reactor electroquímico a escala piloto
Evolución de la energía específica con el tiempo.
Reactor con dos compartimentos
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Tiempo (min)
Es (
kW
∙h∙k
g-1
)
5 V
7.5 V
“Figuras de mérito”
Reactor electroquímico a escala piloto
SEPARADOR t100(min) X (%) (g·l-1h-1) Es(kW·h·kg-1) XR/S
(min-1)
Dos comp. 5 V 134.07 0.257 36.94 0.787 18.85 0.013
Dos comp. 7.5 V 117.64 0.368 32.86 1.141 24.41 0.0152
Tres comp. 4 A 111.9 0.384 42.40 0.985 16.39 0.012
Tres comp. 8 A 107.17 0.572 38.79 1.345 23.68 0.028
Aplicaciones reactor electroquímico
Electrocoagulación
Industria curtiembre
Industria azucarera
Obtención de lignina
Obtención de antioxidantes
Industria de alcohol
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
Conclusiones
Caracterización de los separadores:
La porosidad y el diámetro medio de poro disminuyen al
aumentar la presión de fabricación y al disminuir el porcentaje
de almidón de los separadores.
El fc disminuye conforme aumenta la presión de fabricación de
los separadores para un contenido en almidón del 0%.
Diseñar membranas cerámicas en la región
Conclusiones
Reactor electroquímico a escala de laboratorio:
El tiempo teórico necesario para conseguir un grado de
conversión del 100% con un rendimiento eléctrico del 100%
disminuye al aumentar el voltaje de trabajo o la intensidad.
El producto k·ae aumenta con el voltaje aplicado y con la
intensidad debido a la mejora del coeficiente de transferencia de
materia como consecuencia de los gases formados sobre la
superficie de los electrodos.
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos se puede concluir
que el separador más adecuado es el fabricado a una presión de
250 kg/cm2 y sin almidón.
Conclusiones
Reactor electroquímico a escala piloto:
Se ha propuesto un modelo matemático basado en el flujo de
pistón con dispersión que describe el comportamiento del reactor.
El coeficiente de dispersión, D, aumenta con el número de
Reynolds definido con respecto al diámetro de los promotores de
turbulencia.
El tiempo medio de residencia disminuye conforme aumenta el
caudal.
Versatilidad del reactor electroquímico para la remoción de
metales pesados.
Henry Reyes Pineda Ph.D MsC
Tratamientos de aguas residuales mediante un reactor electroquímico
de compartimentos separados
Universidad del Quindío
Facultad de Ciencias Básicas y Tecnologías
Facultad de Ciencias Agroindustriales