Una alternativa limpia para el tratamiento de las aguas residuales galvánicas: revisión bibliográfica

A clean alternative for galvanic wastewater treatment: literature review

Álvaro Chávez Porras¹; Diana Lucía Cristancho Montenegro²; Édgar Alexánder Ospina Granados³

¹ Ingeniero industrial y doctor en Ingeniería Civil. Docente y Coordinador de la especialización en Planeación Ambiental y Manejo Integral de Recursos Naturales, Universidad Militar Nueva Granada, Carrera 11 N° 101 -80,Teléfono 2757300, Fax 6370557, Bogotá, Colombia. alvaro.chavez@umng.edu.co
² Ingeniera civil Universidad Militar Nueva Granada, Carrera 11 N° 101 -80, Teléfono 2757300, Fax 6370557, Bogotá, Colombia. diana.cristancho@umng.edu.co
³ Ingeniero ambiental y especialista en Planeación Ambiental y Manejo Integral de los Recursos Naturales, Universidad Militar Nueva Granada, Carrera 11 N° 101 -80, Teléfono 2757300, Fax 6370557, Bogotá, Colombia. alexander.ospina@umng.edu.co

Este estudio presenta una revisión bibliográfica sobre las aguas residuales generadas por industrias galvánicas y una posibilidad de tratamiento para disminuir los contaminantes propios de estos efluentes. La actividad produce fundamentalmente efluentes líquidos con alta carga contaminante en volúmenes relativamente pequeños, como también efluentes con cargas contaminantes diluidas en grandes volúmenes; adicionalmente a esto, la generación de desechos sólidos o semisólidos es el principal problema en importancia después de los vertidos líquidos. Se concluye que las aguas residuales pueden alcanzar un alto nivel tóxico para el medio ambiente y el hombre; se generan, así, alternativas para su tratamiento y la posible recuperación de los metales pesados, específicamente para estas industrias que son las grandes generadoras de los contaminantes, donde los tratamientos convencionales no logran eliminarlos en sus procesos, lo que requiere una combinación de alternativas tecnológicas para tratar las aguas residuales. Se considera el proceso de electrocoagulación como efectivo para eliminar contaminantes del agua residual, que permite recuperar parte de las aguas para reúso.

This study presents a literature review on wastewater produced in galvanic industry, and a possible treatment alternative in order to decrease contaminants of such effluents. This industry basically generates liquid wastes with a big contaminating load in relatively small volumes. Additionally, generation of solid and semisolid wastes is the second main problem after discharge of liquids. It is concluded that wastewaters can reach a high level of toxicity for both environment and man. Then, some alternatives are proposed for treatment and possible recovery of heavy metals, especially for this industry which are important producers of contaminants, since conventional treatments are not totally effective for their elimination during the processes. This requires a combination of technological alternatives for treating wastewaters. Electrocoagulation has been considered as an effective method for eliminating wastewater contaminants and it allows recovering water for reuse purposes.

INTRODUCCIÓN

Toda actividad humana tiene un impacto dentro y fuera de su entorno; las que producen contaminación no sólo alteran el equilibrio ecológico y causan la mortandad de algunas especies animales y vegetales o la proliferación descontrolada de otras, sino que pueden destruir en forma definitiva la vida. En casi todos los países industrializados se ha tomado conciencia de este reto que obliga a detener la destrucción de nuestro hábitat. Es así que las actividades de los diferentes sectores industriales se ven en la obligación de evitar o minimizar los impactos negativos al ambiente, ya sea a través de la implementación de prácticas de prevención de la contaminación o del tratamiento de los efluentes antes de ser vertidos al medio ambiente.

La problemática de las aguas residuales industriales ha sido una constante preocupación, y en la historia de la humanidad han sido muchas las personas que en sus discursos la han planteado como un problema, tocado por filósofos, economistas y pensadores de todas las tendencias y estilos. Sin embargo, el tema logra tomar importancia tan sólo en las últimas décadas de final de siglo, con la filosofía del desarrollo sostenible, la producción limpia y las buenas prácticas empresariales; éste ha logrado posicionarse en el interés de los gobiernos, organizaciones no gubernamentales, empresariado y en general de toda la sociedad (Chávez, 2007).

En los procesos desarrollados por la industria galvánica se generan efluentes, principalmente inorgánicos, que por sus características de toxicidad resultan nocivos para el hombre y su entorno, principalmente por la presencia de metales pesados como el níquel. (Astdr, 2003).

En este artículo se presenta una revisión bibliográfica sobre las aguas residuales industriales galvánicas, las cuales, se concluye, logran alcanzar un alto nivel tóxico para el medio ambiente, pero se pueden generar alternativas para su tratamiento y la posible recuperación de los metales pesados, donde los tratamientos convencionales no logran ser efectivos; se considera el proceso de electrocoagulación como cierto y práctico para eliminarlos y recuperar, así, parte de las aguas para su nueva utilización.

REVISIÓN DE LA LITERATURA

La galvanoplastia es una técnica que consiste en la electrodeposición de un recubrimiento metálico sobre una superficie que puede ser o no metálica. Se recomienda por costos o por razones estructurales modificar las características del material base, principalmente resistencia a la corrosión, dureza, apariencia, conductividad eléctrica y rozamiento (DAMA, 2005).

El procedimiento superficial en galvanoplastia se basa en procesos de deposición electrolítica de metales, la cual puede obtenerse a partir de baños o electrolitos de diferente composición. El proceso de recubrimiento se realiza por inmersión en un baño electrolítico, de manera que los iones metálicos presentes en soluciones ácidas, alcalinas o neutras, se reducen en las piezas a recubrir. Las propiedades específicas de los recubrimientos dependen de los componentes del electrolito utilizado, y se pueden aplicar cubiertas de cromo, cobre, zinc, níquel, cadmio, plomo, plata, estaño u oro, así como aleaciones de latones, bronces, zinc aleado y oro aleado. Los más usados son el zinc, el oro, el níquel, el cobre y el cromo. A los distintos tipos de recubrimientos electrolíticos le siguen una serie de tratamientos, no pertenecientes a la galvanotecnia propiamente dicha, para mejorar las propiedades anticorrosivas y funcionales del revestimiento correspondiente, como son el cromatizado o pasivado crómico, el sellado y el lacado. Entre cada operación se tienen tanques con agua para lavar las piezas, así se evita contaminar la solución de la siguiente etapa; las aguas de enjuague son descartadas periódicamente, y debido a que tienen contenido de metales pesados, ácidos, álcalis y otras sustancias peligrosas, deben ser llevadas a una planta depuradora antes de ser vertidas al alcantarillado (De Lima et al, 2007).

En Bogotá, existen aproximadamente 400 plantas galvánicas, el 13% se dedica a procesos de anodizado y preparación de superficies, las restantes realizan procesos de recubrimientos, entre ellos, el cromado (DAMA, 2005). En Colombia estos recubrimientos se emplean principalmente en autopartes, herramientas agrícolas, grifería, muebles, artefactos a gas, entre otros (Water Treatment Handbook, 1991).

Industria de recubrimiento metálico

Un proceso de recubrimiento metálico consta de diferentes etapas de preparación de la superficie (Milanez et al., 2005). La instalación industrial está compuesta de cubas, las cuales almacenan baños de preparación y de recubrimiento seguido de tanques de enjuague. Esta incluye las siguientes etapas:

La figura 1 muestra la secuencia típica de una instalación de este tipo. La tabla 1 muestra los diferentes tipos de baño de recubrimientos y sus características. La principal aplicación del cobre es como subcapa para el niquelado de metales; rara vez se utiliza como acabado final, salvo en electrónica. Materiales base de hierro, aluminio y zámak se les debe dar una capa previa de cobre cianurado antes de ser llevados a baños posteriores para facilitar la adherencia del recubrimiento siguiente. En los baños cianurados de cinc electrolítico la pureza del recubrimiento es muy buena con una deposición más densa, uniforme y regular. Los recubrimientos de latón son eminentemente decorativos y su aplicación técnica es mínima, salvo como subcapa para los recubrimientos de acero con caucho y gomas en los que, gracias al latonado, la adherencia del caucho es muy buena (Canepa et al., 1984).

Figura 1. Diagrama de flujo de proceso de recubrimiento metálico
Fuente: Autor

En la tabla 1 se pueden observar los diferentes tipos de metales y su posible composición de acuerdo con el pH y la temperatura donde se encuentren.

Tabla 1. Baños electrolíticos. Características de los baños de recubrimiento

Para DAMA (2005), el acabado de latón al igual que el del cobre, se mancha en contacto con el aire atmosférico; este problema hace que las piezas latonadas necesiten un paso adicional o tratamientos previos, los cuales pueden ser:

Problemática medioambiental

La actividad de tratamiento de superficies produce fundamentalmente efluentes líquidos de dos tipos; por un lado, aparecen cargas contaminantes altas, en volúmenes relativamente pequeños, de los efluentes generados en los baños de proceso, y por otro, efluentes con cargas contaminantes diluidas en grandes volúmenes de agua, de los efluentes procedentes de los enjuagues o lavados (Apha, 1995). La generación de desechos sólidos o semisólidos es el siguiente problema en importancia después de los vertidos líquidos. Los principales residuos resultantes de la actividad son: soluciones viciadas, lodos con contenido en metales pesados procedentes del tratamiento de las aguas residuales, metales base, desechos de reactivos empleados en las distintas operaciones, aceites y grasas procedentes de la separación de aceites de los baños de desengrase, filtros y cartuchos impregnados por electrolito y envases y embalajes usados (Wittcott y Reuben,1997).

Las materias primas utilizadas por el sector condicionan las características de las corrientes residuales generadas a consecuencia de la actividad industrial. La renovación frecuente de los baños de recubrimiento (que se deben gestionar como residuos industriales líquidos) y el hecho de que las etapas de lavado y enjuagado entre estos baños han comportado, históricamente, un alto consumo de agua y una alta generación de vertimientos, son algunos de los rasgos característicos desde el punto de vista de impacto ambiental del sector (Flick, 1991).

Según la Water Environment Federation (1994) los problemas que se pueden generar en el proceso son:

Estos procesos de galvanoplastia generan aguas residuales, cuyo tratamiento, por ser contaminadas con metales pesados, es estudiado ampliamente; existen diversas metodologías tales como biotecnológicas, de adsorción, intercambio iónico y otras; no obstante, algunos métodos como la bioadsorción no pueden ser aplicados para soluciones que contienen altos contenidos metálicos en solución, además de presentar problemáticas para la separación de las fases acuosa y sólida (Purakin y Paknikar, 1999).

Las características tóxicas se deben a las concentraciones normalmente elevadas, según la normativa, en cianuros y metales pesados; además, la elevada acidez o alcalinidad confieren al desecho un fuerte poder corrosivo. El riesgo de contaminación depende de las sustancias químicas presentes, de su concentración y volumen, de las posibilidades de contacto humano, y de su comportamiento en el medio ambiente después de su disposición (Sun, 2000). En general, esta agua se puede encontrar numerosa, de naturaleza, concentración y tamaño diferente (Canepa et al., 1984; Sun, 2004).

El gran volumen de agua residual posee cantidad apreciable de materias tóxicas como los cianuros, el cromo, el níquel, el arsénico, entre otros. Toda el agua que interviene en el proceso, salvo la empleada como vapor, se vierte al alcantarillado (American Water Works Association, 1990).

La industria de recubrimiento metálico consume gran cantidad de agua en sus procesos. El uso de esta agua se da principalmente en preparación de baños, torres de enfriamiento, caldera, lavados, retrolavados, etc. (Cerveró, 2001).

En general, los tipos de vertimiento que se pueden dar en una instalación son:

Tratamiento de las aguas residuales mediante “electrocoagulación”

El fundamento teórico de la electrocoagulación consiste en que la precipitación se lleva a cabo al mismo tiempo que la desestabilización; en cambio, la coagulación química consiste en la formación de lodos debido a la unión que forma masas de tamaño considerable, para luego separarlas del agua mediante la adición de más químicos como el sulfato de aluminio y el cloruro férrico, entre otros (Water Environment Federation, 1994). Las masas se forman por el contacto, éste se logra principalmente por el movimiento del líquido, debido a fenómenos eléctricos, como la presencia de iones de carga opuesta a la acción de hidrógenos y otros (Teixeira, 1993). Es importante mencionar que el agua sometida a una electrólisis se ve favorecida por la presencia de sales en disolución, que posibilitan la conducción de electricidad y que están presentes en todas las aguas residuales e industriales.

Para Bernardes et al. (2000), debido a esto se produce un desprendimiento de hidrógeno y oxígeno gaseoso en sus respectivos electrodos, estos gases al ascender a la superficie provocan tres fenómenos:

Alcances técnicos de la electrocoagulación El proceso puede ser definido como la desestabilización de especies químicas suspendidas o disueltas presentes en una solución, producto de la aplicación de una diferencia de potencial eléctrico a través de un sistema cátodo-ánodo inmerso en la solución de agua a tratar. A consecuencia y en el transcurso de dicho proceso, las especies catiónicas producidas en el ánodo entran a la solución, reaccionan con las demás especies, forman óxidos metálicos y precipitan los respectivos hidróxidos. A diferencia de la coagulación química, en la electrocoagulación, el catión proviene de la disolución del ánodo metálico, ya sea, hierro o aluminio (Davis, 1994).

En otras palabras, la electrocoagulación utiliza corriente directa para hacer que los iones de sacrificio de los electrodos eliminen contaminantes indeseados, sea mediante reacción química y precipitación o provocando que los materiales coloidales se aglomeren y sean eliminados por flotación electrolítica (Cetesb, 1992). La figura 2 muestra el proceso de electrocoagulación en un agua residual.

Figura 2. Proceso de Electrocoagulación en un Agua Residual.

En este proceso una corriente eléctrica es inducida en el agua a través de placas metálicas paralelas de materiales diversos que optimicen el proceso de remoción. Dos de los metales más utilizados son el hierro y el aluminio (Kirkwood y Longley, 1995). Los iones metálicos se liberan y dispersan en el medio líquido; estos tienden a formar óxidos metálicos que atraen electromecánicamente a los contaminantes que han sido desestabilizados y estas partículas recientemente formadas se precipitan y son eliminadas (Eckenfelder y Cecil, 2003).

Aspectos técnicos de operación de la electrocoagulación

La tabla 2 muestra las condiciones de operación de la electrocoagulación.

Tabla 2. Condiciones de operación de la electrocoagulación

Las condiciones de operación de un sistema de electrocoagulación son altamente dependientes de las condiciones químicas, del pH, del tamaño de partículas del agua a tratar y especialmente de su conductividad. El tratamiento general de las aguas residuales requiere aplicaciones bajas de voltaje, generalmente de <50 Volts, con amperaje variable, de acuerdo con las características químicas del agua (ATSDR, 2003).

Análisis comparativo de la electrocoagulación con los tratamientos biológicos y químicos

Haciendo un análisis comparativo acerca de las tecnologías como la electrocoagulación y los sistemas biológicos y químicos, se puede decir que el sistema de electrocoagulación aplicado a aguas residuales, en comparación con los sistemas biológicos convencionales, requiere de una menor superficie, entre un 50 a 60% menor (Patoczka et al., 1998).

Los tiempos de residencia de la electrocoagulación son de 10 a 60 segundos, en comparación con los sistemas biológicos que requieren entre 12 y 24 horas (Gordon y Geyer, 1988).

Son unidades compactas, fáciles de operar, con un consumo de energía y producción de lodo más compacto inferior a los sistemas biológicos y químicos convencionales (Souza, 2003; Pletcher, 1991).

Las celdas de electrocoagulación se instalan sobre terreno, por lo tanto, no requieren de obras civiles mayores, como los sistemas químicos y biológicos (Subdirección General de Infraestructura Hidráulica Urbana e Industrial, 1994; Perry, 1999).

Los costos de inversión son 50% más bajos que los de los sistemas biológicos y químicos (Instituto Politécnico Nacional, 1997).

Los consumos de energía eléctrica por m³ de agua tratada, entre un 0.1 a 1 kWh/m³, son menores a los sistemas de tratamiento convencionales (Sheppard, 1998).

No utilizan productos químicos, son unidades 100% automáticas, que se utilizan cuando se requieren, con tiempos de respuesta de 10 a 60 segundos, en su nivel de eficiencia (Sun Kou, 2004; DAMA, 2005).

Porcentaje de remoción con el sistema de electrocoagulación

Según Ecosystem (2002), por ejemplo, en el estado de California, se han instalado algunos sistemas de electrocoagulación para tratar este tipo de efluentes y como resultado se ha logrado mejorar la separación de agua y aceite, así como la recuperación de los metales que ahí se acumulan.

La tabla 3 presenta los porcentajes de remoción de los parámetros evaluados.

Tabla 3. Porcentajes de Remoción

CONCLUSIONES

El proceso de electrocoagulación es muy efectivo para eliminar contaminantes del agua residual de las industrias galvánicas. Las plantas de tratamiento por electrocoagulación permiten que una industria recupere parte de sus aguas para reutilizarlas. Con esta acción se reduce notablemente el consumo de agua, se limpian las instalaciones y vías de desecho de aguas negras, ya que el proceso de electrocoagulación los precipita y los transforma en material inerte que se elimina por filtrado. Esto significa, con los no vertimientos, limpiar las aguas de arroyos, lagos, ríos o mares a los cuales generalmente se descargan.

Este sistema electroquímico ha demostrado que puede manejar una gran variedad de aguas de desecho, tales como: desperdicio de molinos de papel, de electro plateado metálico, de fábricas de envasado, de molinos de acero, de rastros, efluentes con contenidos de cromo, plomo y mercurio, así como las aguas negras domésticas. El hecho de remover estos contaminantes permite reutilizar el agua, generar un ahorro directo correspondiente al reaprovechamiento del agua, y de manera indirecta, mejorar la calidad de los desechos que se van al drenaje principal.

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Recibido: 26/09/2008
Aceptado: 07/05/2009