Degradación de residuos líquidos derivados del uso de percloroetilenotratamiento electroquímico y sonoelectroquímico

Resumen

Una de las principales causas de la contaminación de las aguas por ácido tricloroacético (TCAA) es su formación natural como consecuencia de la degradación de percloroetileno (PCE), que es uno de los disolventes de uso más extendido en la industria. Con tal de avanzar en la búsqueda de soluciones para el tratamiento de aguas contaminadas con TCAA en la presente memoria de Tesis Doctoral se ha abordado su tratamiento mediante técnicas electroquímicas, sonoquímicas y la combinación de ambas. Degradación electroquímica de ácido tricloroacético. La reducción de TCAA en medio acuoso natural sobre electrodos de carbón, titanio, acero y cobre se observa en torno a -0,7 - -0,8 V (vs. electrodo de referencia Ag/AgCl) dando lugar a ácido dicloroacético (DCAA). A partir de - 1 V (dependiendo del material de electrodo empleado) se observa además, en los estudios voltamétricos, un segundo proceso de reducción (como en el caso de usar cobre o carbón) que puede asociarse, al menos en parte a la formación de hidrógeno por la reducción de los propios protones provenientes de la disociación ácida del TCAA. En todos los casos debe tenerse en cuenta también la posible reducción directa del organoclorado con el hidrógeno atómico sobre la superficie del electrodo. Los electrodos estudiados en la presente Memoria de Tesis Doctoral son útiles para la reducción del TCAA a DCAA, pero solo en el caso de emplear un electrodo de cobre como cátodo se logra reducir el DCAA a ácido monocloroacético (MCAA) antes de la descomposición del electrolito de fondo. Si se desea emplear electrodos de cobre, acero, carbón o titanio para la eliminación total de los cloroacéticos de disoluciones acuosas por medios electroquímicos deberían emplearse potenciales más negativos. En el caso particular de emplear un cátodo de cobre se pudo demostrar además la existencia de un mecanismo paralelo que implica una ruptura de enlaces C-C, especialmente a potenciales más negativos (-1,3 V). Esta ruta se puso de manifiesto gracias a que el cobre es un material adecuado para la realización de experimentos SERS (acrónimo en inglés de la técnica surface enhanced Raman spectroscopy), en los cuales de detectó la presencia de CO adsorbido sobre el electrodo. Tratamiento sonoquímico de ácido tricloroacético en disolución acuosa El TCAA se forma a consecuencia del tratamiento sonoquímico de disoluciones acuosas de PCE aunque, debido a su naturaleza hidrófila, no tiende a acumularse en la interfase líquido-gas de la burbuja, y mucho menos a penetrar en ella durante los eventos cavitacionales. Esto hace que la degradación sonoquímica de TCAA no sea una técnica efectiva, aportando, en todo caso eficiencias en degradación inferiores al 2 %. Degradación sonoelectroquímica de ácido tricloroacético Al realizar estudios sonovoltamétricos del sistema TCAA/Na2SO4 aplicando una frecuencia del campo de ultrasonidos de 24 kHz se observa un incremento notable de la densidad de corriente registrada (incluso en comparación con experimentos empleando electrodos de disco rotatorio) en la ventana útil de potencial empleada al usar un cátodo de titanio. Al ampliar el estudio del tratamiento sonoelectroquímco de TCAA a altas frecuencias de campo de ultrasonidos (863 kHz) se logra mejorar los resultados obtenidos, con un efecto sinérgico especialmente notable cuando se evita el uso de electrolito de fondo. Se consigue romper todos los enlaces C-Cl obteniéndose ácido acético, lo cual abre la posibilidad de la eliminación total de la toxicidad del efluente sin añadir ningún reactivo. Se hace patente que el tratamiento sonoelectroquímico favorece la mineralización de los ácidos cloroacéticos. Esta mineralizacion puede darse a través de procesos catódicos, como se pudo demostrar al emplear un cátodo de cobre. Además, pueden mineralizarse por incineración anódica al emplear ánodos como DSA y PbO2. También debe considerarse la lenta degradación sonoquímica del ácido acético o el ácido oxálico, detectado como intermedio de reacción (mineralización sonoquímica). Aunque el tratamiento electroquímico de ácidos cloroacéticos ha sido abordado de manera general mediante técnicas reductivas en la bibliografía, se ha podido demostrar que el tipo de material del ánodo empleado puede variar notablemente la eficiencia global del proceso al trabajar en una configuración de célula sonoelectroquímica de compartimento único. Esto se consigue incluso en condiciones de conductividad extremadamente baja, usando electrodos relativamente económicos (especialmente en el caso del dióxido de plomo, acero y DSA), ampliamente disponibles de modo comercial, mejorando notablemente los resultados del tratamiento electroquímico. Puesto que el ánodo empleado que mejores resultados brinda es el PbO2, se muestra como una alternativa económicamente viable al uso de electrodo de BDD en tratamientos de aguas residuales, aunque en la presente Memoria se propone el uso de ánodos DSA por ser menos susceptibles de introducir sustancias nocivas en las disoluciones tratadas. Aunque la eficiencia del tratamiento sonoelectroquímico es dependiente del tipo de cátodo empleado, se obtienen productos finales sin enlaces C-Cl para todos los tipos de cátodos usados (cobre, carbón, acero, titanio, cinc y plomo) empleando ánodos de titanio platinizado. En el caso de usar cátodos de cinc o de plomo se obtienen resultados excepcionalmente buenos, al compararlos con el resto de cátodos probados, especialmente en términos de eficiencia en degradación. Por otro lado, dentro del intervalo de elevadas frecuencias del campo de ultrasonidos empleado (577 kHz, 863 kHz, 1145 kHz) no se encontró que ninguna de las frecuencias incrementara el nivel de degradación, de manera significativa, aunque los resultados mejoran en gran medida a los obtenidos en el intervalo de bajas frecuencias. La potencia del campo de ultrasonidos empleada parece tener una mayor influencia, de modo que la eficiencia en degradación aumenta de manera general al aumentar la densidad de potencia del campo de ultrasonidos, apareciendo un umbral de potencia acústica a partir del cual los efectos beneficiosos de la aplicación de ultrasonidos no continúan creciendo. Esto posibilita la obtención de resultados similares trabajando a potencias intermedias, pudiendo constituir un ahorro energético muy considerable. En este mismo sentido, el uso de pulsos de ultrasonidos aparece como una herramienta útil a la hora de abordar el problema del elevado consumo energético del tratamiento sonoelectroquímico, consiguiéndose efectos sinérgicos similares a los obtenidos en el TSEQ continuo, aunque con un ahorro energético próximo al 50%.