Presentación de PowerPoint

Transcripción

Universidad del Quindío
Facultad de Ciencias Básicas y Tecnologías
Facultad de Ciencias Agroindustriales
Tratamientos de aguas residuales
mediante un reactor electroquímico
de compartimentos separados
Henry Reyes Pineda Ph.D MsC
PROYECTO:
 Desarrollo de membranas cerámicas para el tratamiento y recuperación de
baños de cromado con elevado contenido en Cr(VI). Ministerio de Ciencia y
Tecnología. Proyecto PROFIT.
CONGRESOS:
 Regeneration of etching solutions using electrochemical reactors provide
with porous diaphragms. 16th International Congress of Chemical ando
Process Engineering. Praga 2006. Pérez-Herranz, V.,Reyes, H., Guiñón,
J.L., García-Antón, J.
 EUROMEMBRANE 2008. Giardini. Naxos.
 Italia 25th Meeting of The Mexican Electrochemical Society and 3rd
Meeting of the Mexican Section of the Electrochemical Society. Zacatecas
2010
PUBLICACIONES:
 Membrane electrochemical reactor for continuous regeneration of spent
chromium plating baths. Sánchez, E., Mestre, S., Pérez-Herranz, V.,
Reyes, H., Añó, E.: Desalination 200 (2006) pp 668-670.
 Regeneration of Hexavalent Chromium from a Simulated Rinse Etching
Solution Using an Electrochemical Reactor With Two Compartments
Separated by a Ceramic Membrane . H. Reyes, Pérez-Herranz, V., GarcíaGabaldón M. Int. J. Electrochem. Sci., 6 (2011) 1493 – 1507.
 Hexavalent Chromium Recovery by Electrochemical Reactor of Ceramic
Spacers Compartments Separated by Potentiostat Operating Mode. H.
Reyes Pineda. Pérez- Herranz. V. ECS Transactions Issue 4 Vol. 29 (2010)
919 - 934
INTRODUCCIÓN
Caracterización de los
separadores cerámicos
Diferente
presión
Diferente
composición
Estudio reactor electroquímico
a escala de laboratorio
Modo
Potenciostático
Modelamiento reactor a escala
piloto
Modo
Galvanostático
Dos
compartimentos
CONCLUSIONES
DTR
Aplicaciones
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
Introducción: Metalizado de Plásticos
• Gran variedad de sustratos metálicos y no metálicos.
• Dureza, resistencia al desgaste y a la corrosión, uniformidad del
depósito.
• Materiales no conductores (vidrio, cerámica o plástico).
• Interés industrial en metalizado plásticos: bajo costo, no
necesitan operaciones secundarias, libertad en diseño de piezas y
reducción de peso de las mismas.
• Capa conductora sobre el sustrato de plástico para preparar la
pieza para el metalizado electrolítico.
• El ABS (acrilonotrilo-butadieno-estireno) es el plástico más
empleado en la industria del metalizado.
ABS
(Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno)
Matriz del Copolímero
Estireno-Acrilonitrilo
Moléculas de
Butadieno
MORDENTADO
NEUTRALIZADO
ENJUAGUES
ACELERACIÓN
METALIZADO
ENJUAGUES
ACTIVADO
MORDENTADO
Oxidación del Butadieno
en la Superficie por el Ácido Crómico
Cr6+ + Butadieno
-Ácido Crómico (400 g/l)
-Ácido Sulfúrico
Cr3+ + Subproductos
ACTIVADO
12 g/l SnCl2
0.25 mg/l PdCl2
Coloide de Sn(II) y Pd(0)
1 M HCl
Adsorción Superficial
Sn2+Sn2+
Pdo
Sn2+Sn2+
Pdo
Sn2+Sn2+
Pdo
Sn2+Sn2+
Pdo
Sn2+Sn2+
Pdo
Sn2+Sn2+
Pdo
Sn2+Sn2+
Pdo
Sn2+Sn2+
Pdo
Sn2+Sn2+
Pdo
Sn2+Sn2+
Pdo
Sn2+
2+
Pdo Sn
Sn2+
o
Sn2+ Pd
Pdo
Sn2+
Sn2+
Sn2+
o
Sn2+ Pd
Sn2+
Pdo Sn2+
o
Sn2+ Pd
Sn2+
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Sn2+Sn2+
Sn2+Sn2+
Sn2+Sn2+
Sn2+Sn2+
Sn2+Sn2+
Sn2+Sn2+
Sn2+Sn2+
Sn2+Sn2+
Sn2+Sn2+
Sn2+Sn2+
METALIZADO
Pdo
Ni2+ + 2ePdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Nio
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Pdo
Fase de mordentado
Cr2O7-2 +14H+ → 2Cr+3 + 7H2O
Aumento de [Cr+3] = 40 g/l → baño se agota
BAÑOS RESULTANTES DE ETAPA DE MORDENTADO:
- Soluciones fuertemente contaminadas con Cr(III), Cr(VI), H2SO4
- Generan problemas de almacenamiento, transporte y descarga.
TRATAMIENTO DE
EFLUENTES
MEMBRANAS DE
INTERCAMBIO IÓNICO
SEPARADORES
CERÁMICOS
- Baja estabilidad química y - Más estables y baratos.
térmica.
- Alta resistencia mecánica,
-Polarización por
química y térmica.
concentración.
Permeabilidad y
selectividad no importan.
TRATAMIENTO DE EFLUENTES
MEMBRANAS DE INTERCAMBIO IÓNICO
- Baja estabilidad química y térmica
- Polarización por concentración
SEPARADORES CERÁMICOS
- Más estables y baratos
- Alta resistencia mecánica, química y térmica
-Permeabilidad y selectividad no importan
Introducción: Métodos de Tratamiento
Reactor de compartimentos separados
Cr2O7-2
Cr2O7-2
H2
Cátodo (-)
SO4-2
H+
Ánodo (+)
SO4-2
Cr+3
Cr+3
Compartimento
Compartimento
catódico
anódico
Separador cerámico
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
Objetivos
Caracterización de los
separadores cerámicos
Desarrollo del reactor
electroquímico
Estudio del reactor electroquímico
a escala de laboratorio
Selección del separador
cerámico
Estudio del reactor electroquímico
a escala piloto
DTR. Aplicación real
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
Metodología
Estudio del reactor electroquímico a escala de
laboratorio
Metodología
Estudio del reactor electroquímico a escala piloto
con dos compartimentos
Metodología
Estudio del reactor electroquímico a
escala de laboratorio
CONDICIONES DE OPERACIÓN
Efecto de la presión de fabricación
Efecto del contenido en almidón
Potencial de celda constante: 10 y 15 V
Intensidad de celda constante: 1.5 y 2.5 A
Metodología
con tres compartimentos
Metodología
CONDICIONES DE OPERACIÓN
DTR:
PROMOTORES:
- Bolas de vidrio 3
y 5 mm diámetro
medio.
-Partículas
porosas de grafito
5 mm de diámetro
medio
CAUDAL:
6, 10, 20, 30, 40,
50 y 60 l/h
APLICACIÓN
RECUPERACIÓN
BAÑOS DE
MORDENTADO:
Potencial
de
celda constante:
5
y
7.5
V
Intensidad
constante: 4 y 8 A
Metodología
Reactor electroquímico a escala piloto
Metodología
Determinación de Cr (III) y Cr (VI)
0,14
Absorbancia
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0
20
40
60
[Cr] (ppm)
80
100
120
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
- Caracterización de los separadores
- Reactor electroquímico a escala de laboratorio
- Reactor electroquímico a escala piloto
- DTR
- Recuperación de los baños de mordentado
CONCLUSIONES
SEPARADORES UTILIZADOS
SEPARAD.
S-0-250
S-0-500
S-0-700
S-0-900
S-5-250
S-10-250
S-15-250
S-20-250
COMPOSIC.
50.5% caolín
49.5% alúmina
50.5% caolín
49.5% alúmina
50.5% caolín
49.5% alúmina
50.5% caolín
49.5% alúmina
47.9%caolín,
47.1% alúmina
5% almidón
45.4% caolín,
44.6 % alúmina
10% almidón
42.9% caolín
42.1% alúmina
15% almidón
40.4 % caolín
39.6% alúmina
20% almidón
PRESIÓN
(kg·cm-2)
dp
(µm)

ρ
(g·cm-3)
250
0.37
0.500
1.60
0.67
500
0.28
0.483
1.79
0.66
700
0.27
0.456
1.86
0.64
900
0.26
0.428
1.9
0.62
250
0.43
0.546
1.59
0.71
250
0.46
0.584
1.51
0.71
250
0.52
0.624
1.33
0.78
250
0.68
0.632
1.23
0.79
e
(cm)
Caracterización de separadores
Distribución de tamaño de poro.
Efecto de la presión
100
S-0-250
S-0-700
-1
Volumen de Intrusión (cm g )·10
3
S-0-500
3
S-0-900
50
0
0.01
0.1
1
dp (µm)
10
Distribución de tamaño de poro.
Efecto en almidón
100
S-20-250
3
-1
Volumen de Intrusión (cm g )·10
3
S-5-250
50
0
0.01
0.1
1
dp (µm)
10
Factor de la conductividad fc y conductividad
efectiva ef
 ef
fc 

fc 
 ef

 b
n
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
-Caracterización de los separadores
- DTR
CONCLUSIONES
Reactor electroquímico a escala de laboratorio
 Grado de Conversión:
 Rendimiento Eléctrico:
Co  C (t )
X (t ) 
Co
( t ) 
nFCo  C( t )  V
t
 I(t)dt
 100
0
 Productividad Específica:
( t ) 
MCo  C( t )
t
t
 Energía Específica:
 Tiempos Teóricos, t100:
ES

t100
0
Uc( t )·I( t )dt


0
M·V·Co·X( t )
I (t )dt n  F  V  C
Efecto de la presión a potencial de celda constante
UC  E eq  a  c  IR
2.5
Intens (A)
2.0
1.5
1.0
S-O-250
S-O-500
S-O-700
0.5
S-O-900
0.0
0
50
100
150
Tiempo(min)
200
250
Evolución del grado de conversión con el tiempo. Efecto de la
presión. Potencial de celda constante
X (t )  1  exp(k ·ae ·t )
1.0
S-0-250
S-0-500
S-0-700
S-0-900
0.8
X
0.6
0.4
0.2
0.0
0
50
100
150
Tiempo(min)
200
250
Operación a potencial de celda constante
0.0
k·ae= 0.0058
-0.2
15 V
10 V
ln(1-X)
-0.4
R2 = 0.979
-0.6
R2 = 0.999
-0.8
-1.0
k·ae = 0.0128
-1.2
0
50
100
150
Tiempo (min)
200
250
Evolución del rendimiento eléctrico con el tiempo. Efecto de
la presión.
Potencial de celda constante
25
 (%)
20
15
10
S-0-250
S-0-500
5
S-0-700
S-0-900
0
0
50
100
150
Tiempo(min)
200
250
Evolución de la productividad específica con el tiempo.
Efecto de la presión. Potencial de celda constante
2.5
S-O-250
S-O-500
2.0
S-0-700
-1 -1
 (g.L .h )
S-0-900
1.5
1.0
0.5
0.0
0
50
100
150
Tiempo(min)
200
250
Evolución de la energía específica con el tiempo. Efecto de
la presión. Potencial de celda constante
700
600
S-0-250
Es (kWh.kg-1)
S-0-500
500
S-0-700
S-0-900
400
300
200
100
0
0
50
100
150
Tiempo(min)
200
250
SEPARADOR
t100(min)
X
(%)
(g·l-1h-1)
S-0-250 10 V
60.88
0.219
21.21
1.35
70.17
0.0058
S-0-250 1.5 A
47.68
0.390
36.59
1.74
45.19
0.0052
S-5-250 10 V
90.27
0.202
19.21
1.219
75.93
0.0050
S-5-250 1.5 A
123.52
0.315
22.50
1.525
48.61
0.0046
Es(kW·h·kg-1) k·ae(min-1)
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
- DTR
CONCLUSIONES
 DTR: Promotores de turbulencia.
 Comportamiento del reactor con baños agotados de
mordentado reales: Dos y tres compartimentos
 Principales “figuras de mérito” del reactor a potencial
de celda constante e intensidad constante.
DTR: Promotores de
turbulencia.
Comportamiento del reactor
con baños agotados de
mordentado reales: Dos y
tres compartimentos
Principales “figuras de
mérito” del reactor a
potencial de celda constante
e intensidad constante.
Promotores de vidrio 5 mm diámetro medio. Q = 20 l/h
Entrada y salida normalizado
18
16
entrada
14
 norm
12
10
8
salida
6
4
2
0
0
0.2
0.4
0.6
t (min)
0.8
1
C
1  2 C C


2
 Pe x
x
DISPERSIÓN BAJA: D/uL < 0.01
 1   2 
E   
exp 



4
D
/
uL
2  D / uL 


 D

uL


1
 2  2
DISPERSIÓN ALTA: D/uL > 0.01 REACTOR ABIERTO
E   
D D
 2  2  8 
uL  uL 
 1    
exp 



4

D
/
uL
2  D / uL 


2
1


 2  2
tm
2
 t·   dt

tm 
    dt
o
0
 t    dt
2
0
0

2
0
 
2
0

    dt
o
0
 t m2
Promotores de vidrio 5 mm diámetro medio. Q = 20 l/h Salida
exp. y calculado
6
5
 1   2 
E   
exp 



4
D
/
uL
2  D / uL 


1
snorm
4
3
2
1
0
0
0.2
0.4
0.6
t (min)
0.8
1
Modelo Matemático
C
1  2 C C
tm


2
t
Pe x
x
tm = L / u y Pe = Lu/ D
2
2
 tm
 j 1  2  j 1  t m  j



Pe
C   C1

C1  
2
2  i
 Pex 
 t Pex x

 t 
 2

   Pe Cinj 1
 x

1  j 1  t m
2  j 1  1
1  j 1
tm j
 1


C


C


C






Ci
i 1
i
i 1
2
2
2
2

x

t
2

x
Pe

x
Pe

x
Pe

x






t
2  j 1 t m j
 2  j 1  t m

C



C n  C n

n 1
2
2
t
 Pex 
 t Pex 
Promotores de vidrio 5 mm diámetro medio.
Salida exp. y modelizado. Q = 20 l/h
6
5
snorm
4
t med
C 1  2 C C


2
t Pe x
x
3
2
1
0
0
0.2
0.4
0.6
t (min)
0.8
1
Efecto de los promotores de turbulencia sobre la DTR
10
9
30 l/h 5 mm exp.
30 l/h 5 mm calc.
 (mS/cm)
8
30 l/h 3 mm exp.
7
30 l/h 3 mm calc.
6
30 l/h grafito exp.
30 l/h grafito calc.
5
4
3
2
1
0
0
0.1
0.2
Tiempo (min)
0.3
0.4
Variación del coeficiente de dispersión frente al
número de Re
1
D
uL
0.1
0.01
1
10
100
Re
1000
Variación de D frente al número de Re
1.E-04
D  7.65·10 8 Re 0.945
D (m2/s)
1.E-05
R2 = 0.965
1.E-06
1.E-07
1.0
10.0
100.0
Re
1000.0
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
- DTR
CONCLUSIONES
I (A)
Operación a voltaje de celda constante.
Reactor con dos compartimentos
5
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
5V
7.5 V
0
500
1000
1500
2000
Tiempo (min)
2500
3000
X
Evolución del grado de conversión con el tiempo.
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
 t

X t   1  exp  X R 
 S

5V
7.5 V
0
500
1000
1500
2000
Tiempo (min)
2500
3000
Operación a voltaje de celda constante.
0.2
5V
7.5 V
0
-0.2
XR/τS = 0.013
ln (1-X)
-0.4
R2 = 0.981
-0.6
-0.8
R2 = 0.989
-1
XR/τS = 0.0152
-1.2
-1.4
-1.6
0
500
1000
1500
Tiempo (min)
2000
2500
Evolución del rendimiento eléctrico con el tiempo
80
70
5V
7.5 V
60
 (%)
50
40
30
20
10
0
0
500
1000
1500
2000
Tiempo (min)
2500
3000
Evolución de la productividad específica con el tiempo
3.5
3.0
5V
7.5 V
-1 -1
 (g∙l ∙h )
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
500
1000
1500
2000
Tiempo (min)
2500
3000
Evolución de la energía específica con el tiempo.
90
80
5V
7.5 V
Es (kW∙h∙kg-1)
70
60
50
40
30
20
10
0
0
500
1000
1500
2000
Tiempo (min)
2500
3000
“Figuras de mérito”
SEPARADOR
t100(min)
X
(%)
(g·l-1h-1)
Es(kW·h·kg-1)
XR/S
(min-1)
Dos comp. 5 V
134.07
0.257
36.94
0.787
18.85
0.013
Dos comp. 7.5 V
117.64
0.368
32.86
1.141
24.41
0.0152
Tres comp. 4 A
111.9
0.384
42.40
0.985
16.39
0.012
Tres comp. 8 A
107.17
0.572
38.79
1.345
23.68
0.028
Aplicaciones reactor electroquímico
Electrocoagulación
Industria curtiembre
Industria azucarera
Obtención de lignina
Obtención de antioxidantes
Industria de alcohol
INTRODUCCIÓN
OBJETIVOS
METODOLOGÍA
RESULTADOS
CONCLUSIONES
Conclusiones
Caracterización de los separadores:
 La porosidad y el diámetro medio de poro disminuyen al
aumentar la presión de fabricación y al disminuir el porcentaje
de almidón de los separadores.
 El fc disminuye conforme aumenta la presión de fabricación de
los separadores para un contenido en almidón del 0%.
 Diseñar membranas cerámicas en la región
Conclusiones
Reactor electroquímico a escala de laboratorio:
 El tiempo teórico necesario para conseguir un grado de
conversión del 100% con un rendimiento eléctrico del 100%
disminuye al aumentar el voltaje de trabajo o la intensidad.
 El producto k·ae aumenta con el voltaje aplicado y con la
intensidad debido a la mejora del coeficiente de transferencia de
materia como consecuencia de los gases formados sobre la
superficie de los electrodos.
 Teniendo en cuenta los resultados obtenidos se puede concluir
que el separador más adecuado es el fabricado a una presión de
250 kg/cm2 y sin almidón.
Conclusiones
Reactor electroquímico a escala piloto:
 Se ha propuesto un modelo matemático basado en el flujo de
pistón con dispersión que describe el comportamiento del reactor.
 El coeficiente de dispersión, D, aumenta con el número de
Reynolds definido con respecto al diámetro de los promotores de
turbulencia.
 El tiempo medio de residencia disminuye conforme aumenta el
caudal.
 Versatilidad del reactor electroquímico para la remoción de
metales pesados.
Universidad del Quindío
Facultad de Ciencias Básicas y Tecnologías
Facultad de Ciencias Agroindustriales
Tratamientos de aguas residuales
mediante un reactor electroquímico
de compartimentos separados
Henry Reyes Pineda Ph.D MsC

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