Tratamiento de electrocoagulación como alternativa para la recuperación de zinc y eliminación de cianuros en aguas de enjuague usadas en el proceso de cincado

88 Pages·01.74 MB·Spanish

by  García Valles David Ezequiel

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS
EXTRACTIVAS

ACADEMIA DE INGENIERÍA DE PROCESOS

“TRATAMIENTO DE ELECTROCOAGULACIÓN COMO
ALTERNATIVA PARA LA RECUPERACIÓN DE ZINC Y
ELIMINACIÓN DE CIANUROS EN AGUAS DE ENJUAGUE USADAS

EN EL PROCESO DE CINCADO.”

TESIS INDIVUDUAL QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO QUÍMICO INDUSTRIAL

PRESENTA

DAVID EZEQUIEL GARCIA VALLES

DIRECTOR

ING. MARIA FELIPA SANCHEZ SALMERON

México D.F. 2016
A Inés † y Teresa †,
A mis padres María y Juan,
Y a todos mis amigos, profesores y conocidos.
RESUMEN

La contaminación del agua es un problema cada vez mayor a nivel mundial. Existen
diversos métodos para su tratamiento y reducción de contaminantes presentes en ella. Sin
embargo, los tratamientos convencionales no son efectivos para remoción de metales y
partículas inorgánicas tales como cianuros, presentes en las aguas de desecho de
galvanoplastia, entre otras. En este trabajo se investigó la electrocoagulación como una
alternativa para disminuir la presencia de zinc y cianuro en aguas provenientes de
enjuagues de baños de cincado alcalino cianurado. Se realizaron experimentaciones con
electrodos de grafito – aluminio y aluminio - fierro, utilizando como parámetros constantes
el tiempo de experimentación y la intensidad de corriente. Ambos modelos propuestos
resultaron eficaces en la disminución de partes por millón de estos contaminantes, y en la
notable disminución de otros parámetros considerables en los análisis de aguas residuales
también cumplieron el objetivo de disminuir los contaminantes. Sin embargo, en algunos
parámetros evaluados, el par de electrodos aluminio – fierro, tiene mayor eficiencia sobre
el par grafito – aluminio.

Palabras clave: Agua residual, proceso electrolítico, electrocoagulación, electrodos,
intensidad de corriente, pH, conductividad eléctrica, dureza, alcalinidad, cianuros, zinc.
ABSTRACT

Water pollution is one growing global problem. There are various methods for
treatment and reduction of contaminants. However, conventional treatments are not
effective for removal of metals and inorganic such as cyanides, particles present in the
wastewater from electroplating, among others. This work investigated the electrocoagulation
as an alternative to reduce the presence of zinc and cyanide in water from baths of cyanide
alkaline zinc rinses. There are experiments with electrodes of graphite - aluminium and
aluminium - iron, working as constant parameters experimental time and intensity of current.
Both proposed models were effective in the reduction of parts per million of these pollutants
and the remarkable decrease of other significant parameters in the analysis of wastewater.
Both proposed models achieve the objective of reducing pollutants, however, on some
parameters evaluated, the pair of electrodes aluminum - iron, it has greater efficiency on
torque graphite - aluminium.

Key words: wastewater, process electrolytic, electrocoagulation, electrodes and
intensity of current, pH, electrical conductivity, hardness, alkalinity, cyanides, zinc.
ÍNDÍCE.

CONTENIDO
CAPITULO I. EL AGUA, GENERALIDADES Y TRATAMIENTOS
1. El Agua 1
1.1. Aguas Residuales 3
1.2. Tratamiento De Aguas Residuales 10
1.3. Aguas Residuales Industriales 14
1.4. Tratamientos Convencionales Y Tratamientos Alternativos Para Aguas
15
Residuales Industriales.
1.4.1. Eliminación De Materia En Suspensión 17
1.4.2. Eliminación De Materia Disuelta 18
1.4.3. Tratamientos Biológicos 20
Capitulo II. ELECTROQUIMICA Y ELECTROCOAGULACIÓN
2.1. Electroquímica 22
2.1.1. Conceptos Básicos En Electroquímica 24
2.1.2. Electroquímica Y Las Leyes De Faraday 25
2.1.3. Electroquímica Y Medio Ambiente 27
2.1.4. Tratamientos De Cianuro Vía Electroquímica 31
2.2. Galvanoplastia Y Recubrimientos Electroquímicos 32
2.2.1. Proceso Electrolítico 33
2.3. Cincado 34
2.3.1. Galvanizado De Cinc Alcalino Cianurado 34
2.3.2. Problemas Ambientales En La Industria De La Galvanoplastia 36
2.4. Electrocoagulación 37
2.4.1. Electrocoagulación En El Tratamiento De Aguas Residuales De
39
Galvanoplastia.
CAPITULO III. MATERIALES Y METODOS
3.1. Descripción Del Equipo 44
3.2. Proceso De Electrocoagulación 44
3.3. Descripción De Técnicas Analíticas Empleadas 46
CAPITULO IV. RESULTADOS
1. Comportamiento de pH 56
2. Conductividad Eléctrica 59
3. Alcalinidad total 62
4. Cloruros 63
5. Dureza total 64
6. Zinc 65
7. Cianuro total 67
8. Depósito De Zinc 70
9. Pseudocinéticas para el proceso de eliminación de cianuro y 71
recuperación de zinc
CONCLUSIONES 75
PESPECTIVAS 76
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 77
INDICE DE FIGURAS, TABLAS Y GRAFICAS.

CONTENIDO
No. PÁG.

CAPITULO I. EL AGUA, GENERALIDADES Y TRATAMIENTOS

FIGURAS
Figura. 1. Composición General De Las Aguas Residuales 5

TABLAS
Tabla 1. Contaminantes De Interés Monitoreados En Aguas Residuales 6
Tabla 2. Constituyentes Y Propiedades De Aguas Residuales. 9
Tabla 3. Tipos De Tratamiento De Aguas Residuales 10
Tabla 4. Tratamientos Terciarios Y Sus Finalidades. 12
Tabla 5. Clasificación De Contaminantes Y Su Tratamiento 13
Tabla 6. Emisoras Directas De Contaminantes Inorgánicos En Agua Clasificados Por
15
Actividad
Tabla 7. Métodos De Eliminación De Compuestos Orgánicos En Aguas Residuales. 17
Tabla 8. Técnicas De Eliminación De Materia En Suspensión 17
Tabla 9. Técnicas De Eliminación De Materia Disuelta. 19

CAPITULO II. ELECTROQUIMICA Y ELECTROCOAGULACION

FIGURAS.
Figura 1. Antecedentes De La Electroquímica 23
Figura 2. Esquema Del Circuito Electroquímico. 25
Figura 3. Tratamientos De Electrólisis. 27
Figura 4. Clasificación De Metales De Acuerdo A Su Proceso De Electrodeposición 33
Figura 5. Esquema De Las Etapas Del Proceso De Zinc Alcalino Cianurado 34
Figura 6. Ejemplo de un sistema de electrocoagulación con ánodo de aluminio y cátodo
39
de hierro

TABLAS
Tabla 1. Ejemplos De Aplicaciones Del Proceso Anódico 28

REACCIONES
Reacción 1. Metal Y Electrones
Reacción 2. Obtención De Cationes Al+3 Y Fe+2
Reacción 3. Oxidación Del CN-
Reacción 4. Redox Al3+ - Fe2+ y H O ocurridas en los electrodos.
2

CAPITULO III. MATERIALES Y METODOS

FIGURAS
Figura. 1. Diagrama De Proceso Del Zincado Alcalino. Planta San José. 45
Figura. 2. Conexiones del reactor para el proceso de EC 47
Figura. 3. Reactor Por Lotes, Fuente De Corriente Directa Y Multímetro. 47

TABLAS
Tabla 1. Descripción De Parámetros Del Proceso De Electrocoagulación 44
DIAGRAMAS
Diagrama 1. Descripción del proceso de Electrocoagulación. 46
Diagrama 2. Medición de pH. Véase anexo.NMX-AA-008-SCFI-2011 ANÁLISIS DE
49
AGUA.- DETERMINACIÓN DEL pH.- MÉTODO DE PRUEBA.
Diagrama 3. Medición de conductividad electrolítica. Véase anexo. NMX-AA-093-SCFI-
2000. ANÁLISIS DE AGUA – DETERMINACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD 50
ELECTROLITICA – METODO DE PRUEBA.
Diagrama 4. Determinación de Cianuro Total. Método STANDARD METHODS 4500-
51
CN-D; ASTM D-2036-91.
Diagrama 5. Determinación de Zinc con procedimiento alterno de EDTA. Electroplating
52
Engineering.
Diagrama 6. Determinación de Dureza Total. Véase Anexo NMX-AA-072-SCFI-2001. 53
Diagrama 7. Determinación de alcalinidad total. NMX-AA-036-SCFI-2001. 54
Diagrama 8. Determinación de Cloruros Totales. NMX-AA-073-SCFI-2001. 55

CAPITULO IV. RESULTADOS.

FIGURAS
Figura. 1. Formación de cianuro de hidrógeno y cianuro libre en soluciones acuosas en
59
función del pH
Figura. 2 Formación de sedimento durante el proceso de EC, precipitación de calcio y
60
magnesio.
Figura. 3. Diagrama potencial vs pH para el sistema CN-H O a 25°C 69
2

GRAFICAS
Grafica 1. Comportamiento de pH. 57
Grafica 2. Porcentaje de disminución del pH respecto al tiempo. 58
Grafica 3. Comportamiento de pH de muestras respecto al agua potable. 59
Grafica 4. Comportamiento de la Conductividad Eléctrica vs Tiempo en la reacción de
60
EC.
Grafica 5. Porcentaje de disminución de la conductividad respecto al tiempo. 61
Gráfica 6. Comportamiento de la alcalinidad total vs tiempo 62
Grafica 7. Comportamiento de la concentración de cloruros en Cl vs tiempo 63
Grafica 8. Porcentaje de remoción de cloruros respecto tiempo 64
Grafica 9. Comportamiento de la dureza total vs tiempo 65
Grafica 10. Comportamiento de la concentración de zinc en Zn vs Tiempo 66
Grafica 11. Comparación de porcentajes remoción de zinc respecto al tiempo. 67
Grafica 12. Diminución en la concentración de cianuro vs tiempo 68
CAPÍTULO I.

EL AGUA, GENERALIDADES Y TRATAMIENTOS.

1. EL AGUA

El agua es una sustancia que como compuesto químico presenta características que
la hacen especial en su estudio porque es la única sustancia en estado natural que se
presenta sobre la tierra, al mismo tiempo, bajo los tres estados: sólido en los casquetes
polares y nevados, líquido en los mares lagos y ríos; gaseoso, como parte del aire y como
vapor de agua. El agua es un líquido incoloro, insípido e inodoro compuesto por un átomo
de oxígeno y dos de hidrógeno, cuya molécula se enlaza por puentes de hidrógeno. Las
propiedades físicas y organolépticas del agua comprenden: temperatura, olor, sabor, color,
turbidez, materia en suspensión, conductividad eléctrica y pH, entre otros. La temperatura
es un factor importante, puesto que su variación afecta parámetros tales como solubilidad
de gases en el agua, tensión superficial, viscosidad y densidad. Dentro de estas
propiedades la temperatura puede indicarnos el estado de un agua residual. La temperatura
normal de estas aguas es ligeramente superior a la de abastecimiento. En algunos casos
específicos como destilerías o plantas nucleares es muy superior, originando desequilibrios
ecológicos.

El agua tiene la tensión superficial más alta de todos los líquidos comunes, tiene una
gran capacidad de cohesión y se adhiere a la mayoría de las sustancias sólidas con que
entra en contacto. La combinación de la tensión superficial y la adherencia puede levantar
una columna de agua, comportamiento que se conoce como capilaridad; tiene capacidad
de diluir muchas sustancias debido a su alto momento dipolar y a alta constante dieléctrica.
[1]
Las aguas superficiales se emplean como recurso natural, fuente de suministro,
medio receptor de otros flujos hídricos y fuente de energía térmica y mecánica. Estas aguas
constituyen la fuente de abastecimiento más frecuente, ya sea para suministro público,
riego agrícola, actividades industriales y ganaderas, entre otras.

1
Utilizar el agua como medio físico para transportar y deshacerse de un gran número
de residuos de todo tipo ha provocado un desequilibrio físico, químico y biológico; hecho
que ha llevado a algunas de las reservas naturales a niveles de deterioro inaceptables. [2]

 Aguas subterráneas.

Se encuentran bajo la superficie terrestre, en general ocupa poros y fisuras de las
rocas más sólidas. La mayor parte de los yacimientos están a poca profundidad y suelen
desempeñar un papel constante dentro del ciclo hidrológico.
Es posible emplear las reservas subterráneas como fuente de abastecimiento debido
a que contiene menor cantidad de contaminantes que las aguas superficiales. Al momento
de extraer las aguas subterráneas se debe tener en cuenta su calidad en cuanto a
composición fisicoquímica, metales y algunas otras propiedades. [3]
Las aguas naturales presentan tonalidades variables, la eliminación o reducción de
color se hace normalmente mediante coagulación, sedimentación y filtración y pueden
usarse también cloración y carbón activado en algunos casos. El color debe eliminarse de
las aguas empleadas como bebidas y en las de uso industrial. Este parámetro suele
aumentar en el lapso en que el agua tarda al ser transportada desde la planta de
tratamiento hasta el consumidor final. El olor y el sabor se relacionan desde un punto de
vista fisiológico, las fuentes de las cuales el agua adquiere sabor o color son fuentes
naturales que comprenden compuestos orgánicos e inorgánicos, organismos acuáticos y
fuentes artificiales, aguas residuales urbanas, industriales y desagües agrícolas. La
mayoría de los compuestos inorgánicos son inodoros a excepción del sulfuro de hidrógeno
y compuestos derivados de él, que tienen un olor característico a huevo podrido. Sin
embargo, muchos minerales y sales comunican sabor al agua. El agua transporta la materia
de tres modos: por arrastre, suspensión o disolución. Como materia en suspensión se
denomina a las partículas insolubles presentes en el agua. Las partículas que están en
suspensión según su tamaño pueden formar suspensiones estables llamadas soluciones
coloidales, o bien, estar en suspensión sólo cuando el agua está en movimiento.
La turbidez es un fenómeno óptico producido por partículas en suspensión que
absorben la luz que incide sobre el agua. Sin embargo, no puede relacionarse directamente
2