Electrocoagulación: de la carga eléctrica a la separación

Una operación con dos resultados distintos

La electrocoagulación, EC, genera especies metálicas mediante electrodos consumibles y favorece la agregación o incorporación de componentes del agua a una fase separable. Su evaluación exige distinguir la producción de coagulante de la retirada posterior. Formar flóculos no equivale a extraerlos del circuito. Una muestra tomada antes de sedimentar, flotar o filtrar puede contener sólidos procedentes del propio electrodo y mostrar más sólidos suspendidos que la alimentación, aunque haya cambiado favorablemente su separabilidad.

En el método comercial propietario T1 de Aguas SB, esta distinción permite formular una pregunta operativa: ¿qué parte de la mejora procede de transformar la dispersión y qué parte de retirar material? La respuesta requiere observar el agua y el residuo. Una disminución de demanda química de oxígeno, DQO, en el sobrenadante no identifica por sí sola oxidación, y mucho menos mineralización. Puede representar materia orgánica incorporada al lodo, un resultado útil que debe nombrarse correctamente.

Faraday y sus unidades

Para una reacción anódica ideal, cada mol de metal liberado requiere una cantidad definida de electrones. La carga acumulada se calcula integrando la corriente realmente medida:

Qe = integral I(t) dt
m_teorica = M * Qe / (z * F)
D_electrica = Qe / V

Qe es carga eléctrica en culombios, no caudal; I se expresa en amperios y el tiempo en segundos. F = 96485 C/mol es la constante empleada aquí; z representa electrones por átomo liberado y M la masa molar en gramos por mol. Así, M*Qe/(z*F) tiene unidades de gramos. Para corriente constante, la integral se reduce a I*t. Un amperio-hora equivale a 3600 C: omitir esta conversión introduce un error de tres órdenes de magnitud.

El cociente entre masa y volumen también necesita atención. Un gramo distribuido en un metro cúbico corresponde a un miligramo por litro. El resultado es una concentración equivalente de metal aportado, no necesariamente metal disuelto a la salida, concentración activa de coagulante ni masa seca de lodo. Los precipitados incorporan otros elementos y pueden retener contaminantes y agua.

La densidad de corriente j = I/A_activa añade una coordenada distinta. Dos celdas con la misma corriente y el mismo tiempo tienen igual carga total, pero pueden tener densidades distintas, distribuciones diferentes de reacción y distinta respuesta superficial. Debe declararse cómo se cuenta el área mojada y activa, incluyendo las caras que participan y la conexión eléctrica. No es correcto multiplicar indiscriminadamente la corriente de fuente por todas las placas.

Ejemplo sintético 1: 2 A durante una hora en 5 m3

Considérese exclusivamente un balance estequiométrico, sin asignarlo a un equipo ni a un agua real. Se supone corriente constante de 2 A, tiempo de 3600 s, volumen de 5 m3 y disolución ideal del metal indicado:

Qe = 2 * 3600 = 7200 C
D_electrica = 7200 / 5 = 1440 C/m3
m_Al = 26.9815 * 7200 / (3 * 96485) = 0.67115 g
m_Fe = 55.845 * 7200 / (2 * 96485) = 2.08366 g

La diferencia se explica por M/z, no por una superioridad de tratamiento del hierro. El cálculo de Fe presupone liberación como Fe(II); no establece la especiación posterior. Tampoco permite escoger una dosis óptima: para ello faltan composición, objetivo, disponibilidad química, captura y separación. Los decimales permiten revisar la aritmética, pero no representan precisión alcanzable en una campaña de pesaje.

Si la corriente varía, se integra su registro, no se utiliza el valor de consigna como sustituto. Si el volumen cambia por muestreo o purga, debe reconstruirse la masa y el volumen pertinentes antes de expresar una concentración equivalente.

Aluminio, hierro y matriz

Los esquemas Al -> Al(III) + 3e- y Fe -> Fe(II) + 2e- sirven para contar electrones. Las especies que interaccionan con coloides no se reducen a esos símbolos: intervienen hidrólisis, formación de sólidos, complejación y evolución de la química local. En hierro también importa la transformación entre estados de oxidación. El pH medido en el tanque no describe necesariamente el entorno inmediato de cada superficie.

La selección entre aluminio y hierro debe tratarse como una comparación de proceso. Interesan el residual de metal, el volumen y manejo del lodo, la consistencia de la separación y la compatibilidad con operaciones posteriores. Igualar solamente amperios no iguala masa metálica ni química. Una comparación informativa declara qué se mantiene constante: carga, moles de metal, concentración equivalente o resultado final.

La matriz puede cambiar simultáneamente conductividad, demanda de coagulación y estado superficial. Por ello, una reducción de tensión tras cambiar el agua no demuestra mejor coagulación; podría reflejar menor resistencia eléctrica. Un estudio con agua formulada y electrodos de Al/Fe encontró respuestas diferentes de pasivación frente a carbonato, cloruro e inversión de polaridad. Respalda investigar dependencia de matriz, no prescribir una adición universal. Estudio de pasivación, 2025.

Eficiencia medida y significado del pesaje

Conviene definir indicadores que no mezclen observables:

eta_perdida = masa_perdida_electrodo / masa_teorica
eta_recuperada = metal_recuperado_corregido / masa_teorica

La segunda razón exige descontar el metal presente inicialmente y sumar las fases incluidas en la frontera. La primera puede incluir desprendimientos, corrosión química y errores asociados a depósitos o limpieza. Por tanto, una razón superior a uno no prueba que se hayan producido más electrones de los suministrados; indica que el pesaje no representa exclusivamente la reacción farádica seleccionada. Un trabajo experimental sobre aguas de cocción de corcho contrastó desgaste observado y predicción de Faraday e identificó contribución de disolución química. EC en matriz real, 2022.

Denominar una razón «eficiencia farádica» requiere definir qué masa y qué mecanismo se están contando. Para ingeniería de mantenimiento interesa la pérdida total; para explicar el proceso interesa además qué fracción alcanza el líquido, precipita o queda adherida. Ningún indicador aislado responde a ambas preguntas.

Ejemplo sintético 2: reconciliar pérdidas y recuperación

Supóngase una masa teórica de 10,0 g, una pérdida de electrodo de 12,0 g y 9,0 g de metal recuperado, corregido por el fondo inicial, entre líquido y sólidos. Se obtiene eta_perdida = 1,20 y eta_recuperada = 0,90. Estos datos inventados para el cálculo no demuestran una eficiencia química del 120 %.

Los 3,0 g que separan pérdida y recuperación obligan a buscar depósitos, fracciones no muestreadas o sesgos de limpieza y digestión. No se asignan automáticamente a metal disuelto ni a una reacción desconocida. Repetir el balance con electrodos acondicionados y recuperando depósitos puede discriminar esas explicaciones. La predicción comprobable es que una frontera más completa reducirá el descuadre si la causa principal era material retenido.

Mini-protocolo 3: superficie y separación

Un contraste práctico comienza con un lote homogeneizado dividido entre tratamiento EC y control hidráulico sin corriente. Se registran corriente, tensión, temperatura, conductividad y pH a lo largo del tiempo; se documentan área, estado inicial y procedimiento de limpieza del electrodo. El procedimiento de pesada debe ser reproducible y tener un blanco que permita estimar pérdida causada por la propia limpieza.

Después se toman muestras antes y después de una separación definida, con idéntico tiempo de reposo o procedimiento de filtración en ambos brazos. Se analizan las fracciones pertinentes de metal, sólidos y DQO; se conserva el residuo para cerrar el balance. La filtración analítica no debe presentarse como separación industrial instalada. Si la ventaja aparece solo después de separar, la conclusión corresponde a EC más separación, no a la celda aislada.

Una subida de tensión a corriente constante orienta la inspección, pero no diagnostica por sí sola pasivación: deben descartarse variaciones de conductividad, temperatura, conexiones y geometría. Como recomendación inferida, conviene comparar también ciclos sucesivos, porque una primera prueba con superficies recién preparadas puede ocultar deriva operativa.

Evidencia y preguntas de diseño

La tesis de Pablo Santiago Hernández Lehmann, de 2011, describe en su resumen una planta de 144 L/h y aborda tratamiento, separación y energía. Aquí se ha consultado la ficha y el resumen, no las ecuaciones íntegras ni las condiciones completas de ensayo. Su director no debe confundirse con el autor. Tesis UPM.

Para T1, las preguntas comprobables son si la masa recuperada sigue la carga, si la superficie conserva su respuesta y si el contaminante retirado del agua aparece en una fase controlada. Cambiar pH, material o limpieza puede motivar un nuevo ensayo; no modifica automáticamente las reglas del motor. La contribución de EC queda mejor descrita por carga, metal, superficie y separación que por un porcentaje aislado.