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remoción de síLice deL agua de sistemas de enfriamiento, por eLectrocoaguLación
Héctor Moreno C., Cristina García C., Alejandro Romero B. & Diana De León S. instituto tecnoLógico de La Laguna
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RESUMEN
Dos de los principales problemas en el agua de los sistemas de enfriamiento son el calcio o dureza y sílice. Ambos ocasionan problemas de incrustación y corrosión y se han ensayado muchos métodos para su remoción con diferentes grados de éxito. Este proyecto propone el uso de la Electrocoagulación (EC) para remover sílice, no en el agua de enfriamiento, sino en el agua de repuesto. Los resultados muestran que es posible hacerlo en más de 98%, en solo dos minutos de tiempo de reacción utilizando electrodos de aluminio y sin la adición de reactivos químicos.
IntroduccIón
El agua es considerada como solvente casi universal y en ella prácticamente todas las substancias son solubles hasta cierto grado, el agua cruda lleva diferentes cantidades de sales y minerales disueltos dependiendo de la fuente de que se obtuvo. Estas sales y minerales afectan su conductividad eléctrica, por lo que esta permite medir indirectamente la cantidad aproximada de solidos disueltos en el agua.
Los sistemas de enfriamiento industriales son requeridos para mantener las temperaturas especificadas en procesos. El agua por su gran capacidad calorífica y disponibilidad es el refrigerante más utilizado, además de otras características como su fácil manejo.
La extracción de agua para uso industrial, a pesar de su volumen relativamente pequeño, comparado con la agricultura y la ganadería, se ha convertido en un factor importante tanto por la gran competencia con otros usuarios por el abastecimiento de agua, como por la cantidad y diversidad de contaminantes que descarga. El gua para las torres de Enfriamiento empleada en las Centrales Termoeléctricas constituye un volumen del orden de 200 millones de m3 anuales. Sin embargo, este sector empieza a competir por el agua con otros usos, principalmente en zonas donde la sobreexplotación del recurso es un factor importante, como en la Comarca Lagunera (Georgina Blass & Luz Panamá, 2007)
Figura 1. Incrustaciones en Sistemas y Torres de Enfriamiento (Argón Química, Excel Química y Green Tower Water System Cleaning, 2020)
Los sistemas de enfriamiento evaporativos, funcionan principalmente en base a que parte del agua se evapora y se lleva parte del calor, sin embargo la parte que se evapora no se lleva los minerales, los deja como herencia, aumentando por lo tanto la concentración de esas sales y minerales en el agua de enfriamiento. Algunas sales y minerales aumentan su solubilidad en el agua con la temperatura, pero no todas. Las que disminuyen su solubilidad tienden a formar depósitos que favorecen la incrustación y/o corrosión de las tuberías y los sistemas de enfriamiento (Figura 1.1). Para contrarrestar esto es necesario: purgar parte del agua con alto contenido de sales y reponer el agua que se purga y que se evapora para mantener la concentración de sales dentro de límites aceptables de las sustancias que favorecen la incrustación/corrosión, la adición de productos químicos como el ácido sulfúrico para mantener la solubilidad y el empleo de inhibidores de incrustación y corrosión.
Adicionalmente, los sistemas de enfriamiento evaporativos son sistemas abiertos que permiten el ensuciamiento y la contaminación biológica, lo que implica que también se tenga que hacer una limpieza periódica del sistema de enfriamiento y que se utilicen microbicidas.
La corrosión e incrustación impacta a los sistemas de enfriamiento en costos por: la deficiencia de la transferencia de calor, mantenimiento, reparaciones y tiempo muerto por mantenimiento y reparaciones. Los costos de control y de mantenimiento de los sistemas de enfriamiento representan millones de dólares al año.
Los sistemas de enfriamiento se ven afectados por la calidad del agua de repuesto, porque la calidad del agua cruda es muy variable ya sea que provenga de fuentes superficiales, subterráneas o como en la actualidad es la tendencia de utilizar aguas negras tratadas. Los sistemas de enfriamiento también se ven afectados por las condiciones del ambiente donde está instalado el sistema y por supuesto por las condiciones de operación. Por lo que proponer soluciones definitivas para cualquier sistema es muy difícil. Sin embargo, las causas más comunes de los problemas de incrustación y corrosión son la dureza y la sílice, además de los problemas microbiológicos. Estos problemas generalmente se atacan en forma individual o con soluciones caras. La dureza se puede eliminar con cal-carbonato, o aumentar su solubilidad agregando ácido sulfúrico con los correspondientes problemas asociados, la sílice se regula con purga para mantener su concentración en un rango manejable. Calcio y sílice juntos se pueden manejar con desmineralización, osmosis inversa, electrodiálisis, adición de inhibidores de incrustación y corrosión, los cuales implican un alto costo y el uso de compuestos químicos y contaminación, así como el uso de grandes cantidades de energía eléctrica.
En este proyecto se pretende desarrollar un sistema de tratamiento utilizando la electrocoagulación para reducir uno los dos componentes más problemáticos del agua en sistemas de enfriamiento, la Sílice y además, reducir el consumo de agua de repuesto, el consumo de energía, el uso de productos químicos (inhibidores de corrosión), la generación de residuos, para aumentar los ciclos de concentración y que sea muy competitivo con los tratamientos convencionales.
antecedentes
Algunos de los tratamientos convencionales utilizados y propuestos para el tratamiento del agua de sistemas de enfriamiento para control de incrustación y corrosión son: Ablandamiento con cal carbonato, Ablandamiento con zeolitas, Desmineralización, Osmosis Inversa, Electrodiálisis, Coagulación, dosificación de inhibidores de incrustación, corrosión y de biocidas. Y algunos no convencionales como la Electrocoagulación y el uso de magnetos. Por otra parte la remoción de sílice del agua de sistemas de enfriamiento por medio de la electrocoagulación (EC) utilizando electrodos de hierro o de aluminio ha probado ser efectiva y ha sido combinada con osmosis inversa con buenos resultados, pero altos costos (Ritika Mohan, 2009)].
Tabla 1. Antecedentes de remoción de SiO2 con EC
En la revisión bibliográfica se encontraron los antecedentes que se presentan en la Tabla 1.1., relativos a la sílice. Estos resultados son muy variables (con remoción de sílice desde el 46 hasta el 95%) y son cuestionables debido a que en lugar de muestras reales utilizaron muestras preparadas en laboratorio o muestras con ajustes de conductividad y pH. Las muestras preparadas en laboratorio no corresponden a la realidad, no tienen las sustancias químicas utilizadas para el tratamiento y que pueden afectar el desempeño de la EC. Los ajustes de conductividad y pH se hacen con la adición de más sustancias químicas que a su vez implican más costos, riesgos y manejo y residuos.
También, el día 11 de marzo de 2020, en plática con el Ing. Gilberto Gómez Barbosa, Subgerente Regional de Producción Termoeléctrica Centro Norte y con la Jefe del Depto. Químico Regional de CFE, comentaron que personal del Instituto Mexicano de la Tecnología del Agua realizaron pruebas con la finalidad de remover sílice del agua de enfriamiento con EC con resultados muy pobres. Sin embargo, manifestaron su interés para participar en el proyecto. Aunque la medidas de protección por la pandemia impidieron darle continuidad.
La presión social, la escasez, la legislación cada vez más astringente y sobre todo el alto costo del agua potable, obligan a las empresas a buscar soluciones para reducir su consumo y a buscar reutilizar el agua de proceso. Es necesario realizar un mayor esfuerzo en el tratamiento de agua para su reaprovechamiento, tomando en consideración las opciones que por su costo y facilidad de aplicación sean las más adecuadas para ser utilizadas en el país. Debido a que el agua de enfriamiento contribuye con la demanda de agua en la industria, es esta el área en la cual puede esperarse el beneficio más significativo en reciclo ya que esto facilita los esfuerzos del control de la contaminación reduciendo o eliminando una corriente de desecho liquida potencialmente contaminada, beneficiando económicamente a la industria e instalaciones debido a la reducción en el costo de agua de abastecimiento. Este ahorro es más significativo en lugares de escasez de agua, donde el reciclar es una medida de conservación necesaria. Las principales limitaciones para aumentar el reciclo del agua de enfriamiento están asociadas con problemas de calidad del agua, siendo el más común la formación de compuestos inorgánicos que se depositan en las superficies de intercambiadores de calor causando pérdidas de eficiencia se han encontrado una gran variedad de depósitos químicos, pero aquellos que contienen calcio y sílice son de particular interés. La remoción de calcio y sílice es una manera atractiva de controlar tales depósitos.
Existen procesos de tratamiento que permiten que el agua de enfriamiento sea reciclada. Varias modificaciones del proceso de ablandamiento pueden remover la mayoría de los principales precursores de incrustaciones o depósitos (Ca+2, Mg+2, CO3-2 y PO4-3). Los métodos convencionales generan una gran cantidad de lodos, los que conllevan a otros problemas ambientales. Estos inconvenientes han forzado a varias industrias entre ellas la eléctrica, a investigar sobre técnicas de tratamiento alternativo efectivas para la eliminación de sílice y otros contaminantes, entre ellos los métodos electroquímicos. Ante esta situación se hace necesario encontrar un sistema de tratamiento alternativo eficiente, económico, fácil de implementar y que solucione primordialmente los problemas de la sobreexplotación de los cuerpos de agua.
Metodología y arreglo experIMental
En la figura 2, se presenta la metodología, en forma de diagrama de flujo, seguida para realizar el proyecto.
Figura 2. Metodología
En la figura 3, se muestra el arreglo experimental utilizado para la realización de las pruebas. Como fuente de poder se utilizó un rectificador Kaselco con capacidad para 50 volts y 10 amperes de corriente directa, durante las pruebas se invierte la corriente cada minuto para evitar la pasivación de los electrodos y para que su consumo sea uniforme. Para la determinación fotocolorimétrica de sílice, se usó un espectrofotómetro Jenway modelo 7300, siguiendo la NORMA NMX-AA-75-1982.
Figura 3. Arreglo experimental
análIsIs de resultados
En total se realizaron 4 pruebas en batch, la primera utilizando 200 ml de agua cruda y electrodos de fierro y las demás con 3.6 litros de agua cruda y electrodos de aluminio. Los parámetros, condiciones y resultados de las pruebas se presentan en la Tabla 2.
Tabla 2. Parámetros de pruebas y resultados
La prueba 1, con electrodos de fierro dio resultados muy pobres, apenas una remoción del 48.5% en 6 minutos de tiempo de residencia, además de que el agua tomo un color amarillento debido a la presencia de iones férrico, lo cual descarta este material. La prueba 2, utilizando un reactor batch de 3.6 L, con electrodos de Al de 11.4 x 9.5 con una separación entre ellos de 2.1 cm, aplicando 26 VCD y 1 ACD y deteniendo el proceso de EC cada 2 minutos para tomar la muestra. Se logró remover hasta un 81.73 % en 10 minutos, mientras que en la prueba 3, se logró una remoción de 96.24% en 5 minutos con los mismos parámetros y condiciones excepto la interrupción de la EC.
Se sabe que la disolución de los electrodos y la generación de Al+3 siguen la Ley de Faraday y por lo tanto la formación de poli hidróxido de aluminio es proporcional a la corriente que pasa por los electrodos. Por esta razón para la prueba 4, se decidió aplicar una corriente de 3 amperes y reducir la separación entre los electrodos a 0.7 cm, para también reducir la resistencia. Los resultados muestran una remoción del 98.74 % en tan solo dos minutos de tiempo de reacción y de hasta un 99.8% en 10 min. Esto utilizando agua cruda sin acondicionar, ni agregando reactivos químicos.
conclusIones
La sílice puede ser reducida hasta en un 98% en dos minutos en el agua cruda utilizando EC con electrodos de aluminio. Los antecedentes y resultados permiten concluir que es mucho más sencillo eliminar el sílice en el agua cruda de repuesto al sistema, que en el agua del sistema de enfriamiento a la que se le agregan inhibidores de incrustación y corrosión, microbicidas y que recibe del ambiente toda clase de compuestos y microrganismos que pueden afectar el desempeño de la electrocoagulación. referencIas
Argón Química; http://argonquimica.com.mx/ desincrustantes-inhibidores-corrosion-dispersantes-biocidas-torres-enfriamiento (consultada 21 de oct 2020).
Excel Química; https://www.excelquimicaindustrial.com/tratamiento-quimico-a-torres-de-enfriamiento-y-calderas/ (consultada 21 de oct 2020)
Georgina Blass Amador; Luz Angélica Panamá Tirado; “Aplicación de electrocoagulación para la eliminación de silicio en agua de enfriamiento”; Revista AIDIS – UNAM; Vol. 1, No. 2, 2007. http://www.revistas.unam.mx/index.php/aidis/ article/view/14388/13727
Green Tower, Water System Cleaning; http://www. wscnc.com/services/cooling-tower-service/ (consultada 21 de oct de 2020)
Ritika Mohan; Water Treatment using Electrocoagulation; Water Sustainability / University of Arizona, Technology and Research Initiative Fund 2008‐2009, https://pdfs.semanticscholar.org/899e/9f4d9384cf74e560cf876fe00ef507148f02.pdf
S.L. ZHI, S.T. ZHANG and X.B. LU; Removal of Silica from Cooling Water by Electrocoagulation: A Comprehensive and Systematic Study Using Response Surface Methodology; Asian Journal of Chemistry; Vol 25, No 16 (2013), 9309-9314; http://www.asianjournalofchemistry.co.in/User/ ViewFreeArticle.aspx?ArticleID=25_17_106
Villegas-Mendoza, I. E., Martín-Dominguez, A., Pérez-Castrejón, S. & Gelover-Santiago, S.L., Electrocoagulation to Remove Silica from Cooling Towers Water; ; Water Technology and Sciences (in Spanish). Vol. V, No.3, May-June, 2014, pp. 41-50.
