UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y DE RECURSOS NATURALES ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL Y DE RECURSOS NATURALES TRABAJO DE INVESTIGACIÓN “REMOCIÓN DEL CROMO HEXAVALENTE Y DQO POR EL MÉTODO DE ELECTROCOAGULACIÓN DE AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL EN LA UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO, 2021” Curso: Gestión Integral de Cuencas Docente: Gutiérrez Díaz María Antonieta Estudiantes: ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ Heaton Alfaro Martha Lavado Torres Kevin Llanos Evangelista Gaby Mina Alania Marisol Poma Torres, Julio Breznev Quispe Zarate Shirley Saldívar Santillán Stanlin Lima-Perú 2021 INDICE I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4 1.1 Descripción de la realidad problemática 4 1.2 Formulación del problema 4 1.2.1 Problema General 4 1.2.2 Problemas Específico 4 1.3 Objetivos 4 1.3.1 Objetivo General 4 1.3.2 Objetivos Específicos 4 1.4 Justificación 4 1.4.1 Justificación ambiental 4 1.4.2 Justificación social 5 1.4.3 Justificación legal 5 1.5 Limitantes de la investigación 5 1.5.1 Limitante Teórica 5 1.5.2 Limitante Temporal 6 1.5.3 Limitante Espacial 6 II. MARCO TEÓRICO 6 2.1. Antecedentes: 6 2.1.1. Internacional 6 2.1.2. Nacional 7 2.2. Bases teóricas 9 2.2.1. Contaminación por Cromo 9 2.2.2. Tipos de Efluentes 9 2.2.3. Mecanismos De Toxicidad Del Cromo 10 2.2.4. Técnicas De Tratamiento De Efluentes Que Contienen Cromo 11 2.2.5. MECANISMOS Y REACCIONES DEL PROCESO DE ELECTROCOAGULACIÓN 13 2.3 Conceptual: 14 2.3.1 La Electrocoagulación 14 2.3.2 Factores que afectan la electrocoagulación 15 2.3.3 Cromo hexavalente 15 2.3.4 El cromo (VI) en efluentes industriales 16 2.3.5 Remoción de cromo hexavalente 2.4 Definicion de terminos basicos: III. HIPÓTESIS Y VARIABLES 3.1 Hipótesis 16 17 18 18 3.1.1 Hipótesis general 18 3.1.2 Hipótesis específicos 18 3.2 Definición conceptual de variables. 18 3.2.1 Operacionalización de variable 18 IV. DISEÑO METODOLÓGICO 20 Referencias 20 Anexo 1: MATRIZ DE CONSISTENCIA 22 I. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 Descripción de la realidad problemática 1.2 Formulación del problema 1.2.1 Problema General ● ¿Cuál es el porcentaje de remoción del Cr+6 y DQO usando el método de electrocoagulación para agua residual industrial en la Universidad Nacional del Callao, 2021? 1.2.2 Problemas Específico ● ¿Cómo influye la variación del tiempo de electrocoagulación para remover el Cr+6 de agua residual industrial en la Universidad Nacional del Callao, 2021? ● ¿Cómo influye la variación de voltaje eléctrico en la remoción del agua residual industrial en la Universidad Nacional del Callao, 2021? 1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivo General ● Determinar la eficiencia de remoción del cromo hexavalente y DQO mediante el método de electrocoagulación para agua residual industrial. 1.3.2 Objetivos Específicos ● Determinar la influencia de la variación del tiempo de electrocoagulación para remover el de agua residual industrial en la Universidad Nacional del Callao, 2021. ● Determinar la influencia de variación de voltaje eléctrico en la remoción del de agua residual industrial en la Universidad Nacional del Callao, 2021. 1.4 Justificación 1.4.1 Justificación ambiental El presente proyecto propone remover el cromo hexavalente, usando métodos electroquímicos, que son mucho más eficientes en comparación de los métodos físico químicos (flotación y coagulación) actuales, una atractiva e innovadora opción ambiental para el tratamiento de aguas, teniendo en cuenta que al disminuir el uso de sustancias químicas en procesos depurativos, disminuye la probabilidad que ocurran afectaciones posteriores al medio ambiente. 1.4.2 Justificación social Debido a que los procesos electroquímicos se fundamentan en el consumo de energía eléctrica, se hace necesario construir un sistema que permita el aprovechamiento óptimo, en búsqueda de la reducción de costos, haciendo más atractivo el método de electrocoagulación para la inversión e implementación, mejorando la eficiencia energética o la relación aprovechamiento/ consumo total. 1.4.3 Justificación legal Desde el punto de vista legal, todas estas consideraciones, están contempladas en las normas ambientales vigentes, y son las siguientes: ➢ Decreto Supremo N° 011 -2017- MINAM, estándares de calidad ambiental (ECA), para suelo. ➢ Decreto Supremo N° 004 -2017- MINAM estándares de calidad ambiental (ECA), para agua. ➢ Constitución Política del Perú - Título III, Capítulo II: Del Ambiente y los Recursos Naturales. ➢ Ley General del Ambiente (Ley 28611 del 15-10-2005). ➢ Ley General de Salud (Ley Nº 26842 del 20-07-1997). 1.5 Limitantes de la investigación 1.5.1 Limitante Teórica Fuentes informativas como libros, artículos o sitios de internet son insuficientes para el desarrollo de la investigación ya que no se encuentra mucha información de remoción de cromo hexavalente, por lo tanto, no hay muchos resultados de la técnica que vamos a emplear en la investigación. 1.5.2 Limitante Temporal El tiempo establecido para realizar el trabajo de investigación es corto, esto es un condicionante para no poder aplicar todas las actividades que tenemos en mente desde un principio, por lo tanto, solo podremos estudiar al cromo hexavalente y al DBO en las aguas residuales. 1.5.3 Limitante Espacial En el presente trabajo nos enfocaremos en la remoción de cromo hexavalente y DQO por el método de electrocoagulación, por lo tanto, desarrollaremos la parte experimental en el laboratorio de la facultad de Ingeniería Ambiental y RR. NN. II. MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes: 2.1.1. Internacional 1. Vishakha Gilhotra, Rekha Yadav, y Aditi Sugha en 2021 publicaron en la prestigiosa revista sciendirect su artículo titulado “Electrochemical treatment of high strength chrome bathwater: A comparative study for best-operating conditions”, en español, “Tratamiento electroquímico de agua de baño de cromo de alta resistencia: un estudio comparativo para las mejores condiciones de funcionamiento” cuyo objetivo fue tratar aguas residuales de cromo de alta resistencia (1500 ppm) mediante precipitación química y electroquímica. Los resultados mostraron que se logró una eficiencia de eliminación de cromo del 97,5% en condiciones de proceso optimizadas, es decir, pH 5, densidad de corriente 68 A / m 2y tiempo de tratamiento 17 min. La concentración de electrolitos superior a 4 g / L no mejora significativamente la eficiencia de eliminación de cromo. Las condiciones de proceso optimizadas de la solución simulada se utilizaron para tratar el agua del baño de cromo real, pero debido a la naturaleza altamente ácida del baño de cromo, se obtuvo una eliminación de cromo insignificante. Así, dos aguas residuales industrialesSe utilizaron enfoques de gestión para mejorar la eficiencia de eliminación de cromo (i) dilución del agua del baño de cromo (ii) precipitación química antes de la electrocoagulación. El tratamiento de electrocoagulación de agua de baño de cromo diluido cinco veces tiene una eficiencia de eliminación de cromo del 99,9% en 55 minutos de tratamiento, lo que requiere un consumo de energía específico (SEC) de 10,3 KWh / kg de cromo. Mediante la integración de la precipitación química y el tratamiento electroquímico, se observó una eficiencia de eliminación de cromo del 97,3% en 240 min de tiempo de tratamiento con SEC de 27,3 kWh / kg de cromo. La integración de la reducción-precipitación antes del tratamiento electroquímico es otra opción, en contraste, a la dilución de la muestra con una opción para el reacondicionamiento de los esquemas de tratamiento existentes. 2. M. Elazzouzi, K. Haboubi, MS Elyoubi y A. El Kasmi en el año 2020 publicaron en la prestigiosa revista sciendirect su artículo titulado “Desarrollo de un ánodo de electrocoagulación novedoso para el tratamiento real de aguas residuales urbanas: Experimental y estudio de modelado para optimizar las condiciones operativas” El objetivo del presente trabajo fue desarrollar un novedoso EC de bajo costo forma de chatarra de aluminio a base de ánodo mediante la valorización de latas de aluminio usadas, en un intento de aumentarla tasa de contacto entre las moléculas contaminantes y el ánodo EC que conduce a mejorar la eficiencia en la eliminación de contaminantes de aguas residuales urbanas. Se realizó una metodología de superficie para investigar los efectos de muchos parámetros operativos: pH, corriente aplicada, tiempo de operación y densidad empaquetada, sobre la eficiencia de remoción de oxígeno químico demanda de genes (DQO), demanda bioquímica de oxígeno (DBO), fósforo (P) y coliformes fecales(FC). Considerando el consumo de energía del tratamiento, los resultados llevaron a dos importantes operaciones condiciones para un tratamiento EC rentable: condiciones económicas y óptimas para experimentos y mudanzas modeladas. Los resultados previstos del modelado BBD con respecto a la operativa económicas encontró que las condiciones eran DQO (1 ) 80%, DBO (2 ) 84%, P (3 ) 96% y FC (4 ) 99%, con un consumo de energía (5 ) de 3,50 kWh mÀ3. En consecuencia, la validación experimental utilizando las condiciones operativas nominales resultaron en eficiencias de remoción de DQO (78.5%), DBO (83%), P(94,7%) y FC (99%) con un menor consumo energético de 2,52 kWh mÀ3. Por lo tanto predicho los resultados revelaron una buena concordancia con los datos experimentales. Estos hallazgos podrían allanar el camino para reducir significativamente el número de experimentos necesarios para otros trabajos de investigación, y hacer electrodo a base de aluminio como un candidato prometedor para el desarrollo y la ampliación de un EC de bajo costo. 2.1.2. Nacional 1 Armijos Ubilla Bryan Alberto y Samaniego Miño Patricio Fabián en el año 2015 presentaron su tesis titulado “APLICACIÓN DE TRATAMIENTO A EFLUENTES DE INDUSTRIA TEXTIL MEDIANTE ELECTROCOAGULACIÓN” para la obtención del título de ingenieros químicos. Su objetivo fue Aplicar tratamiento a efluentes de industria textil mediante electrocoagulación. Concluyendo que se tiene como nivel óptimo de estudio cuando la configuración es de 2 electrodos de 4 celdas y 2 paquetes, intensidad de 20 Å, tensión 15 V, y el tiempo de residencia de 3 minutos, caso en el cual se obtuvo una remoción de DQO de 94% y de color de 96%. 2 José Moya Llamas en el año 2019 publicó su artículo titulado “TECNOLOGÍAS ELECTROQUÍMICAS EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS: ELECTROCOAGULACIÓN”. con el objetivo de eliminar contaminantes que se encuentran suspendidos, disueltos o emulsionados en el agua. Concluyendo que en el área del tratamiento de las aguas residuales, la electrocoagulación ha demostrado ser altamente efectiva en la eliminación de coloides (1-1000 nm) en la reducción de la DQO, eliminación de sales (amonio, sulfatos, fosfatos), eliminación de PCBs, cianuros, nitritos, fenoles, tensioactivos, tintes y colorantes, eliminación de grasas, aceites y emulsiones, electro-deposición de metales pesados (Zn, Pb, Ni, Cr) y, más recientemente, eliminación de contaminantes emergentes. A pesar de ello, sigue siendo una tecnología escasamente investigada frente a otras tecnologías electroquímicas como la electrodiálisis. 3 Edwar Alejandro Aguilar Ascon en el año 2015 presentó su tesis titulado “EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DE UNA CELDA DE ELECTROCOAGULACIÓN A ESCALA LABORATORIO PARA EL TRATAMIENTO DE AGUA” a la unidad de posgrado de la facultad de ingeniería geológica, minera, metalúrgica y geográfica de la universidad nacional mayor de san marcos para optar el grado académico de magíster en ciencias ambientales con mención en control. El objetivo de la tesis fue Determinar la eficiencia de una celda de electrocoagulación a escala laboratorio para el tratamiento de aguas. de la Contaminación y Ordenamiento Ambiental para posteriormente llegando a las siguientes conclusiones. Ø Las pruebas realizadas en laboratorio nos permiten concluir que las mejores condiciones para obtener una alta eficiencia en la remoción de DQO en el tratamiento de las aguas residuales de la industria de pintura son a un pH natural del agua de 7.12, una intensidad de corriente de 5 amperios y un tiempo de tratamiento de 15 minutos; con los que se obtiene en promedio una eficiencia del 87%. Ø Es importante señalar que al utilizar intensidades de corriente de 8 amperios con pH =7,12 y pH= 4 se observó una eficiencia 90% y siendo esta diferencia mínima; se descartó ya que influiría en un aumento de costos por el gasto de energía y aditivos para disminuir el pH. Ø Otro aspecto importante de este estudio fue la calidad de los lodos producido en el tratamiento, confirmándose lo dicho en la bibliografía que son muchos más compactos y secos que un lodo físico químico o biológico, permitiendo así una mejor disposición de los mismos. 2.2. Bases teóricas 2.2.1. Contaminación por Cromo El cromo (Cr) es un elemento natural presente en la corteza terrestre, con estados de oxidación (o estados de valencia) que van desde el Cr+2 al Cr+6. Los compuestos de cromo son estables en forma trivalente Cr+3 y se encuentran en la naturaleza en este estado en minerales, como el ferrocromito. La forma hexavalente Cr+6 es el segundo estado más inestable. El cromo elemental Cr (0) no ocurre naturalmente. El cromo entra en varias matrices ambientales (aire, agua y suelo) de una amplia variedad de fuentes naturales y antropogénicas, y la mayor liberación proviene de establecimientos industriales. Las industrias con la mayor contribución a la liberación de cromo incluyen procesamiento de metales, instalaciones de curtiduría, producción de cromato, soldadura de acero inoxidable y producción de pigmentos de cromo y ferrocromo. El aumento en las concentraciones ambientales de cromo se ha relacionado con la liberación de cromo en el aire y las aguas residuales, principalmente de las industrias metalúrgica, refractaria y química. El cromo liberado al medio ambiente por la actividad antropogénica ocurre principalmente en la forma hexavalente Cr+6 (Litter, 2005) (Mohan & Pittman, 2006). 2.2.2. Tipos de Efluentes La gran diversidad de tipos de efluentes que existen en la actualidad, los cuales van de los efluentes domiciliarios, hasta los industriales de todo tipo, pasando por los comerciales y de instituciones públicas. Los efluentes contienen una gran variedad de componentes en función de la actividad que los genere, pero podemos indicar que debemos determinar para los mismos los siguientes parámetros: Sustancias orgánicas, sustancias inorgánicas, sólidos en suspensión, bacterias, pH, temperatura, oxígeno disuelto, DBO y DQO. Los diferentes tipos de efluentes líquidos que se pueden generar de las diversas actividades son los siguientes: ● Aguas residuales sanitarias: Resultan del proceso de limpieza. Este efluente líquido tiene características relacionadas con las aguas residuales de origen doméstico. No requieren controles específicos. ● Aguas residuales agrícola ganadero: Como producto del riego y de otras actividades tales como limpieza de establos ganaderos, estos efluentes líquidos aportan al agua importantes cantidades de estiércol y orina, materia orgánica, nutrientes y microorganismos, donde la contaminación con nitratos es uno de los grandes inconvenientes. ● Aguas pluviales: Se originan por arrastre de los desechos que encuentra a su camino el agua de lluvia. Estos tipos de fluentes líquidos debe ser llevado hasta la red de aguas pluviales, siempre que no exista riesgo de contaminación al estar en contacto con residuos o productos. ● Aguas residuales industriales: Pertenecen a los efluentes líquidos del proceso industrial que son descargadas por fuera de la industria, bien sea al alcantarillado o en los cuerpos de aguas superficiales. Son producto de descargas acuosas de operaciones y procesos productivos, así como del lavado de equipos e instalaciones productivas. 2.2.3. Mecanismos De Toxicidad Del Cromo Los compuestos de Cr+6 que son poderosos agentes oxidantes y, por lo tanto, tienden a ser irritantes y corrosivos, parecen ser mucho más tóxicos sistémicamente que los compuestos de Cr+3, dada una cantidad y solubilidad similares. Aunque los mecanismos de interacción biológica son inciertos, la variación en la toxicidad puede estar relacionada con la facilidad con que el Cr+6 puede pasar a través de las membranas celulares y su posterior reducción intracelular a intermedios reactivos. Dado que Cr+3 se absorbe mal por cualquier ruta, la toxicidad del cromo se atribuye principalmente a la forma de Cr+6. Puede ser absorbido por el pulmón y el tracto gastrointestinal, e incluso hasta cierto punto por la piel intacta. La reducción de Cr+6 se considera como un proceso de desintoxicación cuando ocurre a una distancia del sitio objetivo para un efecto tóxico o genotóxico, mientras que la reducción de Cr+6 puede servir para activar la toxicidad del cromo si se produce en o cerca del núcleo celular de órganos. Si Cr+6 se reduce a Cr+3 extracelularmente, esta forma del metal no se transporta fácilmente a las células y, por lo tanto, no se observa toxicidad. El equilibrio que existe entre el Cr+6 extracelular y el Cr+3 intracelular es lo que finalmente dicta la cantidad y la velocidad a la que el Cr+6 puede ingresar a las células e impartir sus efectos tóxicos. (Chávez, 2010) 2.2.4. Técnicas De Tratamiento De Efluentes Que Contienen Cromo Existen diferentes métodos de tratamiento sobre la remoción de cromo hexavalente los cuales se mencionan a continuación: 2.2.4.1. Tratamiento Biológico La degradación biológica es un proceso que permite la descomposición de contaminantes gracias a la acción de microrganismos ya sea bacterias, hongos u otros (CURI, 2006). Se sabe que el Cr+6 es muchas veces más tóxico que el Cr+3. Por lo tanto, la reducción de Cr+6 a Cr+3 por bacterias es un fenómeno muy importante en términos de control de la contaminación ambiental. La reducción microbiana de Cr+6 a Cr+3 es un proceso seguido por bacterias para la reducción de Cr+6 es diferente en las células bacterianas aerobias y anaerobias (Caravelli, 2008) 2.2.4.2. TRATAMIENTO QUÍMICOS a) Adsorción La adsorción es un proceso superficial que conduce a la transferencia de una molécula de un volumen de fluido a una superficie sólida. Esto puede ocurrir debido a fuerzas físicas o por enlaces químicos (Morales, 2006). Entre estos métodos, la biosorción merece una atención especial debido a su relativa simplicidad y bajo costo. Se han realizado muchos estudios utilizando diferentes materiales naturales para la eliminación del cromo, incluida la cáscara de naranja, almidón de patata modificados, quitosano, residuos que contiene quitina y nanofibras poliméricas. Varios otros investigadores han probado materiales compuestos principalmente de calcita como dolomita, cáscara de huevo y nanocarbonato de hidroxilapatita. Todos estos estudios mostraron capacidades de eliminación muy interesantes de este tipo de materiales carbonosos hacia el cromo: 10,01 mg/g a 50 ppm de Cr+6 para dolomita, 9 mg/g de una solución de 2910,1 ppm de Cr+3 usando cáscara de huevo y 37 mg/g de una solución de 75 ppm de Cr+3 usando nanocarbonato de hidroxilapatita. Se informó que la eliminación del cromo se produce principalmente por reacción de intercambio con el carbonato de calcio, estos métodos son de bajo costo y amigables con el medio ambiente (BARKAT, 2009). b) Precipitación Química La precipitación es un proceso de unidad química en el que los iones metálicos solubles indeseables y ciertos aniones se eliminan del agua o aguas residuales por conversión a una forma insoluble. Es una técnica de tratamiento comúnmente utilizada para la eliminación de metales pesados, fósforo y dureza. El procedimiento implica la alteración del equilibrio iónico para producir precipitados insolubles que pueden eliminarse fácilmente por sedimentación. La precipitación química siempre es seguida por una operación de separación de sólidos que puede incluir coagulación y/o sedimentación, o filtración para eliminar los precipitados. El proceso puede ser precedido por reducción química para cambiar las características de los iones metálicos a una forma que pueda precipitarse (WANG, 2005). El método de precipitación química utilizando Cu+2 se viene aplicando para la remoción de cromo hexavalente, en este tratamiento es importante evaluar la influencia de diferentes factores como la concentración inicial del cromo, pH de la solución a tratar, dosificación del precipitante y tipos de precipitantes, además de la evaluación de la influencia del tiempo de precipitación, todos los valores óptimos de estas variables pueden generar un porcentaje de remoción de cromo hexavalente de aproximadamente del 60 % (Arauzo, 2003) c) Resinas de Intercambio iónico El intercambio iónico se usa ampliamente para eliminar sales inorgánicas y componentes aniónicos orgánicos. Los materiales de intercambio iónico son capaces de intercambiar cationes e iones solubles con soluciones electrolíticas y transferirlos a lodos. La resina de intercambio iónico se puede clasificar en base a grupos funcionales como resina de intercambio aniónico, resina de intercambio catiónico y resina de intercambio quelante. Las resinas de intercambio iónico tienen una capacidad específica de absorción de compuestos metálicos y orgánicos y se usan durante el intercambio iónico. Las resinas pueden ser sintéticas o naturales. La principal desventaja es la transferencia de impurezas de la corriente de efluentes al lodo que deben eliminarse debido a los químicos de regeneración agregados. (Sun, 2007) d) Coagulación/ Floculación La coagulación neutraliza las cargas negativas en los sólidos no sedimentables (como la arcilla y las sustancias orgánicas productoras de color). Una vez que la carga se neutraliza, las pequeñas partículas suspendidas se desestabilizan. Estas partículas un poco más grandes se llaman microflóculos, y no son visibles a simple vista. después de la desestabilización, la floculación promueve la agregación y la formación de flóculos, generalmente después de la adición de un agente floculante apropiado. Los coagulantes comúnmente empleados son: Al2(SO4)3, FeCl3, Fe(OH)3, Ca(OH)2 (Chávez, 2010). e) Electroquímica La electroquímica puede ofrecer mucho para resolver o aliviar problemas ambientales. Las tecnologías electroquímicas oxidativas, proporcionan versatilidad, eficiencia energética, facilidad de automatización, compatibilidad ambiental y rentabilidad, han alcanzado una etapa prometedora de desarrollo y ahora se pueden usar de manera efectiva para la destrucción de compuestos orgánicos tóxicos o biorefractoriales, las técnicas electroquímicas que se fundamenten en el uso de electrones, puede dividirse en electro flotación y electro decantación además de electrólisis y electrocoagulación; estas técnicas presentan cualidades ventajosas como son la remoción de metales pesados mediante reacciones controladas y con menores tiempos de reacción por lo cual no es necesario grandes sistemas (PHOL, 2006). 2.2.5. Mecanismos Y Reacciones Del Proceso De Electrocoagulación 2.2.6.1. Proceso de electrocoagulación La electrocoagulación es el proceso de desestabilización de contaminantes suspendidos, emulsionados o disueltos en un medio análogo mediante la introducción de una corriente eléctrica en el medio. Se puede utilizar para el tratamiento de aguas residuales donde se aplica voltaje a los electrodos, generalmente de hierro o de aluminio, y el electrolito es agua o aguas residuales (Didar-Ul, 2017). Los metales tóxicos y los cationes de hidróxido de metal participan en el proceso de electrocoagulación, en el que se genera coagulante in situ mediante la disolución del metal del ánodo con la formación simultánea de iones hidroxilo y gas hidrógeno en el catódico. En su forma más simple, un reactor de electrocoagulación puede estar formado por una celda electrolítica con un ánodo y un cátodo, cuando la celda está conectada a una fuente de energía externa, el material del ánodo se corroe electroquímicamente debido a la oxidación. Las placas metálicas conductoras se conocen comúnmente como electrodos de sacrificio y pueden estar hechas del mismo o de diferentes materiales como el electrodo de Fe y Al/Fe (ARROYO, 2011). El ánodo metálico produce cationes, los cuales desestabilizan las partículas coloidales mediante el desarrollo de complejos de polihidróxido polivalente. Estos complejos tienen altas propiedades de adsorción, formando agregados con contaminantes. La evolución de los gases de hidrógeno y oxígeno ayuda en la mezcla y floculación. El mecanismo de desestabilización de los contaminantes, la suspensión de partículas y la ruptura de las emulsiones que tienen lugar en un reactor de electrocoagulación se puede resumir de la siguiente manera: Compresión de la doble capa difusa alrededor de las especies cargadas por las interacciones de iones generados por la oxidación del ánodo de sacrificio. Neutralización de la carga de las especies iónicas presentes en las aguas residuales por contra iones generados por la disolución electroquímica del ánodo de sacrificio. Estos iones contrarios reducen la reacción electrostática entre partículas en la medida en que predomina la atracción de Van der Waals, lo que provoca la coagulación. El flóculo se forma como resultado de la coagulación y crea una capa de lodo. El agua también se electroliza en una reacción paralela, produciendo pequeñas burbujas de oxígeno en el ánodo e hidrógeno en el cátodo. Estas burbujas se adhieren a las partículas floculadas y las hacen más ligeras para flotar a la superficie a través de la flotabilidad natural. (Didar-Ul, 2017) 2.3 Conceptual: 2.3.1 La Electrocoagulación Para poder hablar de la electrocoagulación, es necesario definir primero el método de coagulación química, dado que esta es la raíz o punto de partida de la electrocoagulación. La coagulación química se define como la adición de compuestos químicos al agua para alterar el estado físico de los sólidos disueltos, coloidales o en suspensión, a fin de facilitar su eliminación por precipitación o filtración. La principal diferencia entre la electrocoagulación y la coagulación química es la forma de obtener los iones de coagulante. En la electrocoagulación, éstos son generados por Electro-Oxidación del ánodo de sacrificio. Comparada con la coagulación tradicional, la electrocoagulación tiene la ventaja de eliminar partículas coloidales más pequeñas, ya que tienen una probabilidad mayor de ser coaguladas por el campo eléctrico que las pone en movimiento. La coagulación química tiene la desventaja de generar otras reacciones creando una contaminación secundaria a raíz de la adición de reactivos químicos. La electrocoagulación es un proceso en el cual son desestabilizadas las partículas de contaminantes que se encuentran suspendidas, emulsionadas o disueltas en un medio acuoso, induciendo corriente eléctrica en el agua a través de placas metálicas paralelas de diversos materiales (Chávez, 2010). 2.3.2 Factores que afectan la electrocoagulación pH: Medida de la acidez o alcalinidad de medios acuosos. Se expresa como el logaritmo negativo (base 10) de la concentración molar de iones H +. (Mejia, 2002). Conductividad: Solución de electrolitos que conducen la corriente. Esta proviene de una base, un ácido o una sal, disociadas en iones. (Mejia, 2002) Consumo del electrodo: Como consecuencia de la disolución de los electrodos los electrodos se desgastan y su tiempo de vida útil se relaciona directamente con la corriente aplicada al sistema y el tiempo de residencia hidráulico del líquido a tratar. (Mejia, 2002) Densidad de corriente y potencial: Mientras mayor sea la densidad de corriente aplicada mayor será la producción de burbujas en los electrodos. (Mollah, 2004) Temperatura: Los efectos de la temperatura sobre la electrocoagulación no han sido muy investigados, pero se ha encontrado que la eficiencia en la corriente se incrementa inicialmente hasta llegar a 60ºC, punto donde se hace máxima para luego decrecer. (Sadoun, 2004). Distancia entre electrodos: Debe ser lo menor posible, ya que tiene una considerable influencia en el consumo de energía. (Mollah, 2004) Tiempo: El tiempo de residencia, determina que, a mayor valor, mayor es la cantidad de sólidos formados, debido a que se favorece tanto los procesos de electrodos como la floculación y precipitación de los sólidos. Un pequeño cambio del tiempo representa una gran influencia en la cantidad de sólidos obtenidos. (Sadoun, 2004). 2.3.3 Cromo hexavalente El cromo hexavalente es mucho más contaminante que el Cr3+ y usualmente es de origen antropogénico, tiene un efecto altamente oxidante y facilidad para penetrar en membranas biológicas. La agencia internacional para la investigación sobre el cáncer (IARC) ha determinado que el Cr6+ es cancerígeno en los seres humanos y los animales. Está clasificado por la U.S. EPA como un agente cancerígeno del grupo A, basándose en sus efectos crónicos y sub-crónicos, Los compuestos de Cr6+ producen sólo especies neutras y aniónicas, predominan CrO4 2- , HCrO4 -, y Cr2O7 2- ; el tratamiento de remoción convencional del Cromo Hexavalente es su reducción a Cr3+, especie más tóxica y menos móvil en el medio ambiente. 2.3.4 El cromo (VI) en efluentes industriales Los residuos líquidos de cromo (VI) son puntuales y de origen industrial que son vertidos en la red de alcantarillado, cuerpos naturales de agua superficial, lo cual pone riesgo la salud humana, la calidad de suelo y agua, la flora y la fauna, por consiguiente, esto va alterando los ecosistemas naturales. (Mejia, 2002). La generación de estos efluentes cargados de cromo (VI) están mayormente a cargo de tres industrias: metalúrgicas, materiales refractarios y químicas. En la primera el cromo es el componente principal en la fabricación de aceros inoxidables; la segunda se utiliza para la fabricación de ladrillos de magnesita, y por último en la industria química se utiliza para operaciones de curtido de pieles, colorantes, anti corrosivos, industria maderera, papel fotográfico, etc. (Chávez, 2010) 2.3.5 Remoción de cromo hexavalente El Cromo es un elemento activo redox con estados de oxidación desde -2 hasta +6; Ambos estados de oxidación, trivalente y hexavalente presentan diferentes toxicidades y movilidades. El cromo trivalente es soluble en sistemas acuosos y su toxicidad es baja o nula; mientras que el cromo hexavalente el cual es altamente soluble y forma al disolverse aniones de Cromato (HCrO4- o Cr2O2 -) los cuales son carcinogénicos y mutagénicos. (Aristizabal, 2007). El cromo se encuentra presente en los efluentes generados de muchas industrias de las cuales destacan electro-platinado, teñido de pieles, textiles, refinado de metales, preservación de maderas y cromado. Las concentraciones de esas industrias y sus efluentes alcanzan montos hasta de 2500 ppm los cuales no pueden ser descargados sin el tratamiento apropiado. Un estudio de la remoción de cromo hexavalente de un modelo de agua residual por electrocoagulación con una concentración de 10-50 ppm y un pH de 5-6 con electrodos de hierro. Obtuvo la remoción completa de cromo después de un tiempo de 45 minutos a una corriente de 0.5-0.1 Amperes; Reportando que la remoción de metales pesados depende de la concentración inicial. (Navarro, 2008). 2.4 Definicion de terminos basicos: Agua Residual Son las provenientes de actividades domésticas, industriales, comerciales, agrícolas, pecuarias o de cualquier otra actividad que, por el uso de que han sido objeto, contienen materia orgánica y otras sustancias químicas que alteran su calidad original. Efluente Son aguas servidas con desechos sólidos, líquidos o gaseosos que son emitidos por viviendas y/o industrias, generalmente a los cursos de agua; o que se incorporan a estas por el escurrimiento de terrenos causado por las lluvias. Electrocoagulación La electrocoagulación puede definirse como un proceso electroquímico que separa simultáneamente metales pesados, sólidos en suspensión, compuestos orgánicos emulsionados y otros muchos contaminantes del agua utilizando la electricidad en lugar de reactivos químicos. Los fangos producidos durante el tratamiento se separan posteriormente por filtración, decantación o flotación. Ph Se trata de una unidad de medida de alcalinidad o acidez de una solución, más específicamente el pH mide la cantidad de iones de hidrógeno que contiene una solución determinada, el significado de sus siglas son, potencial de hidrogeniones, el pH se ha convertido en una forma práctica de manejar cifras de alcalinidad, en lugar de otros métodos un poca más complicados. Remoción Quitar o sacar algo de su lugar, independientemente de que sea reemplazado o no por otro. III. HIPÓTESIS Y VARIABLES 3.1 Hipótesis 3.1.1 Hipótesis general ● La eficiencia de remoción del cromo hexavalente y DQO es eficiente usando el método de electrocoagulación para agua residual industrial. 3.1.2 Hipótesis específicos ● La variación del tiempo de electrocoagulación influye positivamente en la remoción de agua residual industrial en la Universidad Nacional del Callao, 2021. ● La variación de voltaje eléctrico influye positivamente en la remoción de agua residual industrial en la Universidad Nacional del Callao, 2021. 3.2 Definición conceptual de variables. ● Variable independiente: X: REMOCIÓN DEL CROMO HEXAVALENTE Y DQO: La remoción de contaminantes es el proceso de tratamiento por el que pasa el agua para eliminar cualquier tipo de contaminante. Para poder lograr esto el recurso hídrico debe pasar por varias etapas para que pueda volver a ser utilizado (Remoción de contaminantes, 2021). ● Variable dependiente: Y: ELECTROCOAGULACION DE AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL: Las aguas residuales industriales son las que proceden de cualquier actividad industrial en cuyo proceso de producción, transformación o manipulación se utilice el agua, incluyéndose los líquidos residuales, aguas de proceso y aguas de drenaje (Lapeña, 1990). 3.2.1 Operacionalización de variable Variables Definición conceptual Definición operacional Dimensiones Indicadores Técnica e Instrumentos X: REMOCIÓN DEL CROMO HEXAVALENTE Y DQO Y: ELECTROCOAGULACION DE AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL La remoción de contaminantes es el proceso de tratamiento por el que pasa el agua para eliminar cualquier tipo de contaminante. Para poder lograr esto el recurso hídrico debe pasar por varias etapas para que pueda volver a ser utilizado (Remocion de contaminantes, 2021). Las aguas residuales industriales son las que proceden de cualquier actividad industrial en cuyo proceso de producción, transformación o manipulación se utilice el agua, incluyéndose los líquidos residuales, aguas de proceso y aguas de drenaje (Lapeña, 1990). Se refiere a la concentración removida de compuestos químicos como el NaCr2O7, CrO3 y sales de cromo y dicromato, que contienen el metal pesado, cromo, en el estado de oxidación 6., dicho metal es utilizado en diferentes procesos industriales como en la fabricación de pinturas, aleaciones de acero para evitar la oxidación, curtiembre, recubrimientos anticorrosión, así como una variedad de usos de nicho. Se refiere al proceso electroquímico muy utilizado en el tratamiento de aguas residuales, por medio del cual se desestabilizan las partículas de contaminantes que se encuentran suspendidas, emulsionadas o disueltas en un medio acuoso, induciendo diferentes potenciales eléctricos y distintos periodos de tiempos, a través de placas metálicas paralelas. Concentración de Cr+6 Tiempo de electrocoagulaci ón Diferencia de potencial eléctrico - ppm Cr+6 - porcentaje de remoción de Cr+6 Utilización de un equipo para medir los parámetros iniciales y finales - minutos Utilización de un equipo para medir los parámetros iniciales y finales - voltios Voltímetro IV. DISEÑO METODOLÓGICO REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Arauzo, M. y. (2003). Contaminación por cromo en el agua intersticial, en el agua del cauce y en los sedimentos del río Jarama. Asociación española de Limnología. Aristizabal, A. (2007). 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Zeolites and their application in the decontamination of mine wastewater. del, C. I. (15 de Enero de 2021). Remocion de contaminantes. Obtenido de CBR Ingenieria: https://blog.cbr-ingenieria.com.mx/proceso-de-remocion-decontaminantes Didar-Ul, S. M. (2017). Electrocoagulation (EC) technology for wastewater treatmentand pollutants removal. Bangladesh : Springer International Publishing. Lapeña, M. R. (1990). Tratamiento de aguas industriales: aguas de proceso y residuales. Barcelona-España: MARCOMBO S.A. Litter, M. (2005). Remoción de contaminantes metálicos. Solar Safe Water. Mejia, R. P. (2002). Manual de calidad de aguas. Medellin: Facultad de Ingenieria Ambiental EIA. Mohan, D., & Pittman, C. (2006). Activated carbons and low cost adsorbents for remediaton of tri and hexavalent chromium form water (Vol. 137). Journal of Hazardous Materials. Mollah, M. Y. (2004). Fundamentals, Present And Future Perspectives Of, Electrocoagulation. Journal Of Hazardous Meterials, 199-210. 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Anexo 1: MATRIZ DE CONSISTENCIA Título: “REMOCIÓN DEL CROMO HEXAVALENTE Y DQO POR EL MÉTODO DE ELECTROCOAGULACIÓN DE AGUA RESIDUAL INDUSTRIAL EN LA UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO, 2021” PROBLEMA GENERAL OBJETIVO GENERAL HIPOTESIS GENERAL VARIEBLES INDEPEDIENTE DIMENSIONES INDICADORES METODOLOGIA POBLACIÓN Y MUESTRA TECNICA E INSTRUMENTOS ¿Cuál es el porcentaje de remoción del 𝐶𝑟 +6 y DQO usando el método de electrocoagulación para agua residual industrial en la Universidad Nacional del Callao, 2021? PROBLEMAS ESPECIFICOS Determinar la eficiencia de remoción del cromo hexavalente y DQO mediante el método de electrocoagulación para agua residual industrial. OBJETIVOS ESPECIFICOS La eficiencia de remoción del cromo hexavalente y DQO es eficiente usando el método de electrocoagulaci ón para agua residual industrial. Variable Independiente: Remoción del cromo hexavalente y DQO Concentración de Cr+6 - ppm Cr+6 - porcentaje de remoción de Cr+6 Nivel de investigación: Descriptivocorrelacional Población: Solución acuosa industrial con 𝐶𝑟 +6 Método: Científico – experimental Muestra: -20 pruebas a diferentes tiempos Instrumentos de recolección: - Corridas en el laboratorio - Fichas de observación - Elaboración de curvas de calibración HIPOTESIS ESPECIFICOS ¿Cómo influye la variación del tiempo de electrocoagulación para remover el 𝐶𝑟 +6 de agua residual industrial en la Universidad Nacional del Callao, 2021? ¿Cómo influye la variación de voltaje eléctrico en la remoción del 𝐶𝑟 +6 de agua residual industrial en la Universidad Nacional del Callao, 2021? Determinar la influencia de la variación del tiempo de electrocoagulación para remover el 𝐶𝑟 +6 de agua residual industrial en la Universidad Nacional del Callao, 2021. Determinar la influencia de variación de voltaje eléctrico en la remoción del 𝐶𝑟 +6 de agua residual industrial en la Universidad Nacional del Callao, 2021. La variación del tiempo de electrocoagulación influye positivamente en la remoción del 𝐶𝑟 +6 de agua residual industrial en la Universidad Nacional del Callao, 2021. La variación de voltaje eléctrico influye positivamente en la remoción del 𝐶𝑟 +6 de agua residual industrial en la Universidad Nacional del Callao, 2021. Variable Dependiente: Electrocoagulación de agua residual Industrial Tiempo de electrocoagulación -minutos Tiempo de electrocoagulación -voltios Diseño de investigación: Experimental Tipo de investigación: Investigación aplicada -20 pruebas a diferentes voltajes Técnicas de procesamiento: -Método colorimétrico por espectrofotometría
