Regeneración electroquímica de carbón activado usado en plantas potabilizadoras de aguaescalado, optimización y validación de prototipos

Resumen

Introducción o motivación de la Tesis El estudio que da lugar a la presente Tesis Doctoral está motivado por la necesidad de escalar los reactores para llevar a cabo la regeneración electroquímica de carbones activados (CAs), así como por la necesidad de optimizar las variables experimentales más relevantes de este proceso con el fin de conseguir una tecnología eficiente con el menor coste posible. El CA es un material ampliamente utilizado en la industria por su capacidad de adsorción, pero, para que sea viable económicamente, es necesario que se desarrollen tecnologías que sean capaces de recuperar las propiedades texturales iniciales y, por tanto, que se pueda reutilizar. En este sentido, la tecnología aplicada actualmente a nivel industrial es la regeneración térmica. Una alternativa que puede suponer una mejora desde el punto de vista medioambiental y económico se encuentra la regeneración electroquímica que está desarrollada a escala de laboratorio. Por tanto, el objetivo principal de la presente Tesis Doctoral es el estudio de la regeneración electroquímica de CAs gastados en condiciones reales en diferentes estaciones de tratamiento de agua potable empleando diferentes reactores electroquímicos a distinta escala. Desarrollo teórico La presente Tesis Doctoral se basa en la regeneración electroquímica de CAs a escala de planta piloto. En primer lugar, se estudia el proceso de escalado del reactor electroquímico desde un nivel de laboratorio (6 g de capacidad) hasta escala de planta piloto (15 kg de capacidad), teniendo un reactor intermedio a escala de banco (3.5 kg de capacidad). Para ello, se diseñan dos reactores en configuración de placas paralelas y un prototipo alternativo en configuración de electrodos cilíndricos concéntricos. En segundo lugar, se optimizan las diferentes variables experimentales con el objetivo de alcanzar la mayor eficiencia de regeneración al menor coste posible. Los parámetros objeto de estudio son: tipo de regeneración, configuración del reactor electroquímico, tipo, concentración y caudal de electrolito, tiempo de tratamiento y composición del material de los electrodos. Además, se han regenerado diferentes CAs usados durante 3-10 años en varias industrias de tratamiento de aguas y químicas. Por último, se realiza un ensayo de adsorción en disolución de un contaminante emergente como el bisfenol A sobre los CAs regenerados electroquímicamente con el fin de demostrar que pueden volver a aplicarse como material adsorbente de garantías. Conclusiones Los resultados de esta investigación han conducido a las siguientes conclusiones generales: 1. El proceso de escalado desde la celda electroquímica filtro-prensa con una capacidad de 6 g de CA hasta dos reactores electroquímicos con configuración de placas paralelas con capacidad para 3.5 y 15 kg de CA no puede ser directo debido al tamaño inviable del reactor y de las necesidades de la fuente de alimentación. Para evitar estos problemas, se propone un escalado modificado en el que los parámetros de distancia entre electrodos, tiempo de residencia, volumen específico de electrolito en el tanque y concentración de electrolito, se cambian para alcanzar unos parámetros de diseño aceptable para la construcción y funcionamiento de los reactores. 2. Se han diseñado y construido dos reactores electroquímicos con configuración de electrodos planos paralelos con capacidad para 3.5 y 15 kg, respectivamente. La regeneración electroquímica del CA usado en condiciones reales se puede lograr con una recuperación de la porosidad superior al 95% utilizando ambos reactores. 3. Las condiciones experimentales que permiten alcanzar, con estos CAs saturados en condiciones reales, una eficiencia de regeneración superior al 95% en un reactor electroquímico filtro-prensa son: ácido sulfúrico 0.05 M como electrolito, densidad de corriente de 0.025 A/cm2, con separación de compartimentos y el CA colocado en el compartimento catódico. 4. Las condiciones más favorables para lograr una eficiencia de regeneración, con estos CAs saturados en condiciones reales, superior al 95% empleando un reactor de electrodos de placas paralelas a escala laboratorio con capacidad para 3.5 kg de CA son: configuración con separación de compartimentos, regeneración catódica, densidad de corriente de 0.025 A/cm2 y ácido sulfúrico 0.5 M como electrolito. Sin embargo, tras el tratamiento electroquímico, se produce una oxidación parcial del CA. Finalmente, se concluye que el acero inoxidable puede utilizarse como material catódico y que, a partir de la cuarta hora de tratamiento, el aumento en la eficiencia de regeneración es despreciable. 5. La regeneración electroquímica también se puede lograr de manera satisfactoria utilizando el reactor diseñado a escala de planta piloto con electrodos de placas paralelas. En las condiciones experimentales adecuadas (0.5 M y 750 L/h como caudal de electrolito, Pt/Ti como ánodo y acero inoxidable como cátodo, 70 A de intensidad durante 2 h) se obtiene una recuperación de la porosidad superior al 95%. Por otra parte, la oxidación producida por el tratamiento electroquímico tiene poca influencia ya que la mayor cantidad de grupos oxigenados producidos en la superficie el material se debe al uso de este en la ETAP, puesto que el tratamiento con CA se encuentra tras el tratamiento de desinfección del agua, y las especies oxidantes alcanzan el CA produciendo su oxidación. 6. Se ha diseñado y construido un reactor electroquímico con configuración de electrodos cilíndricos concéntricos de capacidad 10 kg de CA. La regeneración electroquímica del CA usado en condiciones reales se puede obtener con una recuperación de la porosidad superior al 95% utilizando este reactor electroquímico a escala de planta piloto. 7. Las condiciones experimentales óptimas para lograr un 95% de eficiencia de regeneración con el reactor a escala de planta piloto de electrodos concéntricos cilíndricos son: ácido sulfúrico 0.25 M como electrolito y un flujo de 750 L/h, Pt/Ti como ánodo, acero inoxidable como cátodo y 27 A de intensidad durante 2 h. Por otra parte, se debe destacar que los reactores propuestos a escala de planta piloto presentan una reducción del consumo energético del 98% en comparación con la fabricación de CA y, superior al 90%, en comparación con la tecnología de regeneración térmica convencional. 8. Del proceso de validación en la celda filtro-prensa se concluye que, para lograr una eficiencia de regeneración satisfactoria, el área superficial del CA gastado debe ser superior a 600 m2/g, mismo valor solicitado por empresas de regeneración térmica. En el caso de CAs impregnados con álcalis, se puede lograr una buena recuperación de la porosidad. Sin embargo, habría que aplicar un tratamiento de impregnación posterior para tener las mismas características que el material de partida. Por otra parte, los CAs que no pueden regenerarse térmicamente difícilmente pueden regenerarse por el método electroquímico. Finalmente, hay que destacar que cada CA gastado necesita unas condiciones experimentales de regeneración particulares, especialmente dependiendo de la industria que lo genera. 9. La validación del prototipo a escala de banco con capacidad para 3.5 kg pone de manifiesto que los CAs fabricados mediante aglomeración se regeneran con mayor facilidad que los preparados por el método de activación directa; además, al igual que en el caso del estudio en célula filtro-prensa, el área superficial del CA usado debe ser superior a 600 m2/g para conseguir una buena eficiencia en la regeneración. De esta forma, se comprueba la viabilidad del método electroquímico para la regeneración de CA usado en condiciones reales a nivel industrial; por tanto, se puede considerar como una alternativa al método de regeneración térmica actual. 10. La adsorción de bisfenol A en CAs regenerados electroquímicamente demuestra que, aun presentando una cinética más lenta que la observada en el CA original, se pueden reutilizar para la adsorción de compuestos orgánicos. Bibliografía consultada - Berenguer, R., Marco-Lozar, J.P., Quijada, C., Cazorla-Amorós, D., Morallón, E., 2009. 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