Intensificación del proceso electroquímico para la remoción de cromo en residuos líquidos

Abstract

El cromo es un metal comúnmente utilizado en la industria galvanoplástica, la cual genera aguas de enjuague que contienen concentraciones de cromo hexavalente por encima de las permisibles por la regulación ambiental. Varias alternativas de tratamiento se han propuesto para atacar este problema, de donde destacan los métodos electroquímicos. Entre estos últimos, un proceso atractivo es el que utiliza electrodos de hierro, los cuales son fuente para la generación electroquímica in situ del agente reductor, que químicamente reduce al cromo en el seno del líquido, de su estado hexavalente a trivalente. El efluente, pasa a un tanque de mezclado para propiciar la precipitación de los metales en hidróxidos metálicos, mediante el incremento del pH del medio, con la finalidad de separarlos del agua tratada. En este trabajo se presentan distintas estrategias para intensificar este proceso de tratamiento, con la finalidad de mejorar el desempeño hidrodinámico del reactor electroquímico y la etapa de precipitación. Para la evaluación del comportamiento de los procesos, tanto en el reactor electroquímico como en el de precipitación, se realizaron pruebas experimentales en reactores de mezcla completa y de jarras, las cuales se complementaron con estudios mediante la dinámica computacional de fluidos, para integrar la información del desempeño de los procesos bajo los diferentes escenarios probados. El capítulo dos detalla el estudio realizado mediante herramientas de dinámica computacional de fluidos al reactor electroquímico de anillos rotatorios, el cual ha mostrado altas eficiencias de remoción de cromo hexavalente en aguas contaminadas. Esta parte del proyecto da a conocer cuál es el enfoque de modelado más apropiado para simular la hidrodinámica que se desarrolla dentro del reactor. Se realiza la comparación de los resultados predichos por tres variantes del modelo de turbulencia κ-ε (standard, RNG y realizable) acoplado al modelo de múltiples marcos de referencia para simular la rotación del electrodo. También se evalúa el efecto de la posición de las fronteras del marco de referencia rotacional respecto a las fronteras del marco de referencia estacionario. Se demuestra que la predicción con el modelo κ−ε realizable en conjunto con la posición a 0° genera los resultados con mayor acercamiento a las mediciones experimentales de tiempo de mezclado obteniendo un 6% de error. En el capítulo tres se muestran los resultados de la incorporación de una novedad, la cual consiste en un reactor equipado con el electrodo estático de electro-deflectores agitado por dos impulsores de alabes inclinados, conocido como PBT. Los resultados de esta modificación se comparan respecto a los obtenidos con el desempeño del reactor electroquímico equipado con el electrodo dinámico de anillos rotatorios. La comparación se realiza de forma teórica para evaluar sus diferencias en cuanto a su desempeño hidrodinámico, y experimental para conocer su eficiencia frente a la reducción de cromo hexavalente. Para realizar la comparación, los reactores se operaron a la misma velocidad de agitación y al mismo número de Reynolds. Los resultados del análisis hidrodinámico muestran que el arreglo de electro-deflectores estáticos junto con el par de impulsores permite mejorar el tiempo de mezclado en 36%, incrementando la eficiencia hidráulica en 85% cuando el reactor se opera al mismo número de Reynolds. Se evidencia que la capacidad de circulación del reactor afecta directamente la tasa de reducción de cromo hexavalente, ya que los tiempos de tratamiento tienen una tendencia parecida a los tiempos de circulación axial. También se muestra que hay una reducción del consumo energético de al menos un 21% cuando el reactor es equipado con los electro-deflectores y el sistema de agitación de dos impulsores. En el capítulo cuatro se evalúan las condiciones de operación del reactor electroquímico, como son: configuración geométrica del electrodo, velocidad de agitación e intensidad de corriente. Para evaluar el cambio en la configuración del electrodo se utiliza el electrodo de anillos estáticos y electro-deflectores. Al operar el electrodo con anillos estáticos también se evalúa la necesidad de incorporar deflectores convencionales. Los sistemas de agitación del reactor están compuestos por dos impulsores PBT, de los cuales también se evalúa la separación entre ellos. Al realizar las simulaciones se consideró la interacción de la interfase líquido-gas. Los resultados revelan que por la posición de los impulsores es necesario tomar en cuenta en el modelo la interacción líquido aire para obtener una predicción más realista del patrón de flujo en la configuración de electro-deflectores. Resultado de los estudios, se obtuvo que la configuración con menor consumo energético fue la de los electro-deflectores con una separación entre impulsores igual a su diámetro pues sus características geométricas e hidrodinámicas le permiten ser más eficiente. En este sistema se exploró el efecto de la velocidad de agitación y de la intensidad de corriente. La velocidad de agitación aumenta la tasa de reducción de cromo hexavalente, hallando su límite en 300 rpm. En esta velocidad de agitación se exploró el efecto de la intensidad de corriente, de donde se encuentra una dependencia lineal del consumo energético del reactor respecto a esta variable en el rango evaluado. En el capítulo cinco se estudia la etapa de precipitación. Los estudios se realizan en un sistema de jarras agitado con dos tipos de impulsores, uno radial y otro axial. Se realiza la evaluación del efecto del pH al que se ajusta el efluente para realizar la precipitación en los valores de 4, 6, 7 y 9. Los resultados muestran que después de precipitar el agua tratada a un pH = 9.0, se obtiene un clarificado con pH neutro y se logran precipitar todas las especies. Se evalúa también el ambiente hidrodinámico de las jarras de forma experimental y numérica, determinando que el impulsor radial disipa mayor energía turbulenta respecto al impulsor axial. Por lo anterior, el impulsor axial propicia un ambiente hidrodinámico favorable para el desarrollo de los flóculos, lo que se traduce en velocidades de sedimentación mayores con respecto a las alcanzadas cuando la jarra se opera con el impulsor radial. Además, el impulsor axial consume solo el 50% de la energía que consume el impulsor radial.

Chromium is a metal commonly used in the electroplating industry, which generates rinsing water containing hexavalent chromium concentrations above those allowed by environmental regulations. Several treatment alternatives have been proposed to attack this problem, among which electrochemical methods stand out. Among the latter, an attractive process is the one that uses iron electrodes, which are the source for the in situ electrochemical generation of the reducing agent, which chemically reduces the chromium in the liquid from its hexavalent to its trivalent state. The effluent is passed to a mixing tank to promote the precipitation of the metals into metal hydroxides by increasing the pH of the medium in order to separate them from the treated water. In this work, different strategies are presented to intensify this treatment process in order to improve the hydrodynamic performance of the electrochemical reactor and the precipitation stage. To assess the processes performance, in both systems, the electrochemical reactor and in the precipitation reactor, experimental tests were carried out in stirred tank reactors and jars test, which were complemented with studies using computational fluid dynamics to integrate the information on the performance of the processes under the different scenarios tested. Chapter two details the study carried out using computational fluid dynamics tools on the rotating rings electrochemical reactor, which has shown high removal efficiencies of hexavalent chromium in pollulet water. This part of the project shows the most appropriate modeling approach to simulate the hydrodynamics inside the reactor. Comparison of the results predicted by three variants of the κ-ε turbulence model (stadard, RNG and realizable) coupled to the multi-reference frame model to simulate the electrode rotation is performed. The effect of position of the rotational reference frame boundaries relative to the stationary reference frame boundaries is also evaluated. It is shown that the prediction with the κ-ε realizable model in conjunction with the position at 0° generates the results with the closest approach to the experimental mixing time measurements obtaining a 6% error. Chapter three shows the results of the incorporation of a novelty, which consists of a reactor equipped with the static electrode of electro-baffles agitated by two inclined vane impellers, known as PBT. The results of this modification are compared with those obtained with the performance of the electrochemical reactor equipped with the dynamic rotating ring electrode. The comparison is made theoretically to evaluate their differences in terms of hydrodynamic performance, and experimentally to know their efficiency against the reduction of hexavalent chromium. For the comparison, the reactors were operated at the same stirring speed and Reynolds number. The results of the hydrodynamic analysis show that the arrangement of static electro-baffles together with the pair of impellers improves the mixing time by 36%, increasing the hydraulic efficiency by 85% when the reactor is operated at the same Reynolds number. It is evident that the circulation capacity of the reactor directly affects the reduction rate of hexavalent chromium, since the treatment times have a similar trend to the axial circulation times. It is also shown that there is a reduction in energy consumption of at least 21% when the reactor is equipped with the electro-baffles and the two-impeller agitation system. In chapter four, the operating conditions of the electrochemical reactor are evaluated, such as: geometric configuration of the electrode, stirring speed and current intensity. To evaluate the change in the electrode configuration, the static ring electrode and electro-baffles are used. When operating the electrode with static rings, the need to incorporate conventional baffles is also evaluated. The reactor agitation systems are composed of two PBT impellers, of which the separation between them is also evaluated. In performing the simulations, the interaction of the liquid-gas interface was considered. The results reveal that due to the position of the impellers it is necessary to take into account the liquid-air interaction in the model to obtain a more realistic prediction of the flow pattern in the electro-baffles configuration. As a result of the studies, it was found that the configuration with the lowest energy consumption was the electro-baffles with a separation between impellers equal to their diameter, since its geometrical and hydrodynamic characteristics allow it to be more efficient. The effect of agitation speed and current intensity was explored in this system. The agitation speed increases the reduction rate of hexavalent chromium, finding its limit at 300 rpm. At this agitation speed, the effect of the current intensity was explored, from which a linear dependence of the reactor energy consumption on this variable was found in the range evaluated. In chapter five, the precipitation stage is studied. The studies are carried out in an agitated jar system with two types of impellers, one radial and the other axial. The evaluation of the effect of the pH at which the effluent is adjusted to perform precipitation at values of 4, 6, 7 and 9 is carried out. The results show that after precipitating the treated water at pH = 9.0, a clarified product with neutral pH is obtained and all species are precipitated. The hydrodynamic environment of the jars is also evaluated experimentally and numerically, determining that the radial impeller dissipates more turbulent energy than the axial impeller. Therefore, the axial impeller provides a favorable hydrodynamic environment for the development of flocs, which results in higher sedimentation velocities than those achieved when the jar is operated with the radial impeller. In addition, the axial impeller consumes only 50% of the energy consumed by the radial impeller.