Diseño teórico-experimental de un prototipo a nivel laboratorio para tratar un efluente industrial del curtido de la piel mediante un proceso de electrocoagulación

Abstract

En el presente trabajo de tesis doctoral se muestran los resultados del estudio teórico-experimental de un reactor de electrodo de cilindro rotatorio acoplado con dos sedimentadores, el cual fue utilizado para tratar un efluente real de la industria de la curtiduría por medio de electrocoagulación. A partir de una búsqueda exhaustiva en la literatura se diseñó un prototipo novedoso en el cual se llevó a cabo un análisis de fenómenos de transporte y cinética electroquímica que ocurre en el proceso de electrocoagulación. Se analizó el efecto del transporte de momento de la fase continua (fluido) y el transporte de momento de la fase dispersa (gas), mediante un modelo de turbulencia del tipo RANS de la forma kappa-épsilon. A partir de la ecuación de convección-difusión, se estudió el efecto de la transferencia de masa del ion aluminio (Al (III)). También se estudió el efecto de la distribución de corriente y potencial de la celda mediante un modelo de distribución de corriente secundaria basado en una cinética electroquímica tipo Butler-Volmer. Los modelos matemáticos empleados se resolvieron empleando técnicas de simulación de dinámica de fluidos computacional, mediante el método de elemento finito utilizando el paquete comercial COMSOL multiphysics® versión 4.3. El diseño propuesto mostró tener las características necesarias para que el proceso de electrocoagulación se llevara a cabo en las condiciones adecuadas desde el punto de vista de los conceptos de operación. La validación de dichos modelos mostró una buena correlación entre los datos experimentales y los obtenidos por la simulación. También, los materiales empleados en la construcción del reactor fueron materiales comerciales y de fácil acceso. Una vez que el reactor ya estaba en operación se examinó la remoción de contaminantes seleccionados en una mezcla representativa del proceso global del curtido de la piel. Las muestras de cada etapa fueron obtenidas directamente de los efluentes generados de una empresa ubicada en la ciudad de León, Guanajuato. Se estudió experimentalmente el efecto de la densidad de corriente aplicada y la velocidad de rotación sobre la eficiencia de remoción de contaminantes criterio. La demanda química de oxígeno se redujo en un 70%, mientras que los sólidos suspendidos totales, el cromo (III) y la turbidez casi se abatieron (> 90%) empleando 6 mA cm −2 de densidad de corriente. Además, se obtuvo un depósito catódico homogéneo al final de cada experimento. Estos depósitos catódicos y los flóculos sedimentados fueron analizados por SEM-EDS. Los cálculos del consumo de energía de la celda y el costo del aluminio consumido se estimaron, por ejemplo, para 6 mA cm −2 y 100 rpm, se obtuvo 1,98 kWh m −3 y $ 0,7 USD m −3, respectivamente.