Estudio comparativo de la remocin de arsnico por el hierro
mediante electrocoagulacin y qumica de la coagulacin
Esta investigacin estudi la remocin de as (III) y as (v) durante
la electrocoagulacin (EC) en comparacin con coagulacin qumica FeCl3
(CC). El estudio tambin trat de comprobar la produccin de cloro y
la oxidacin de as (III) divulgada durante EC. Resultados mostraron
que remocin de as (v) durante el lote CE era errtica a pH 6.5 y el
retiro fue mayor de lo esperado basndose en la generacin de hierro
ferroso (Fe2+) durante el EC. Remocin de as (v) por lote CE era
igual a/o mejor que CC a pH 7.5 y 8.5, sin embargo Fe2+ soluble se
observ en el filtrado de membrana de 0.2 mm a pH 7,5 (10-45%), y es
un motivo de preocupacin. Continua operacin de estado estacionario
de la unidad CE confirm la presencia nociva de Fe2+ soluble en el
agua tratada. El rendimiento esperado retiros de as (v) durante el
modo batch se presume debido a la adsorcin de as (v) en las
superficies de oxihidrxidos de hierro varilla antes de la
realizacin de la operacin de estado estacionario. Remocin de as (v)
aumenta con la disminucin de pH durante el CC y CE, CE a pH 6.5 era
anmala debido a la errtica Fe2 oxidacin. La mejor capacidad de
adsorcin se observ con CC a pH 6.5, mientras que similar pero menor
adsorcin capacidades observaron a pH 7,5 y 8,5 con CC y CE. Una
comparacin de la adsorcin de as (III) demostr mejores remociones
durante EC en comparacin con CC posiblemente debido a un aumento
temporal del pH durante el EC. En contraste con informes de la
literatura, la oxidacin de as (III) no se observ durante la CE y la
adsorcin de as (III) sobre hidrxidos del hierro durante la CE fue
de slo 5-30% de adsorcin de as (v). Tambin en contraste con la
literatura, Cl2 significativa no se gener durante el EC, de hecho,
las barras producen una demanda significativa de cloro debido a
xidos de hierro reducidos en la barra. Aunque la generacin de Cl2 y
a la oxidacin de as (III) son posibles con un nodo de grafito, una
combinacin de grafito y barras de hierro en la misma unidad de CE
no produjo oxidacin de as (III). Sin embargo, un proceso de dos
etapas (seguido por nodo de hierro en cmaras separadas del nodo de
grafito) fue efectivo en la remocin y oxidacin del as (III). Los
iones que compiten, slice y fosfato interfieren con la adsorcin de
as (v) durante el CC y CE. Sin embargo, el grado de interferencia
depende de la concentracin y la presencia de otros iones que
compiten. En particular, la presencia de slice baja el efecto del
fosfato con el aumento de pH debido al efecto significativo de
slice a pHs altos.1. IntroduccinEstudios previos sobre la remocin
de arsnico han informado coagulacin eficaz y econmica en comparacin
con la adsorcin y de intercambio inico (Clifford, 1997; Ghurye et
al., 2004) y han demostrado que factores como el pH, As(III/V)
especiacin y dosis de coagulante para afectar la remocin de arsnico
durante la coagulacin (Cheng et al., 1994; Scott et al., 1995;
McNeill y Edwards, 1995, 1997; Hering et al., 1996; Tong, 1997).
Basado en arsnico absorcin por las superficies de hierro
xido/hidrxido, preformado Fe (OH) 3 y medios granulares frrico
xido/hidrxido fueron encontrados tener menos superficie en
comparacin con in situ forma Fe (OH) 3 (s) que tienen
significativamente mayor capacidad adsorbente (Lakshmanan, 2007).
Coagulacin/filtracin es una tecnologa eficaz y ampliamente
utilizada para el tratamiento de agua potable para eliminar
arsnico. Para sistemas pequeos, sin embargo, adsorcin sobre los
medios de comunicacin (hidrxido frrico granular (GFH) u xido frrico
granular (GFO)) es actualmente el proceso de eleccin. A pesar de
que los procesos de coagulacin tienen mayor capacidad de adsorcin y
menos problemas de eliminacin, no son el proceso de eleccin para
sistemas pequeos, debido a la complejidad y la exigencia continua
de productos qumicos para el ajuste de dosificacin y pH. Procesos
de adsorcin son preferibles debido a un requisito de espacio
relativamente pequeo, simple diseo y operacin. Estos factores
compensan problemas de eliminacin, baja capacidad de adsorcin y los
costos de reemplazo de alta. Electrocoagulacin (EC) es una
tecnologa prometedora, que se asemeja a la coagulacin en que los
hidrxidos son producida in situ, pero sin manual adicin de
coagulante. CE se espera que traiga en las ventajas de una mayor
capacidad de adsorcin, sin adicin de qumica manual, menos
requerimiento de superficie de la tierra y ningn reemplazo de los
medios de comunicacin. Adems, en comparacin con CC, el proceso de
CE al parecer requiere menos coagulante, produce menos lodo (Horner
y Duffey, 1983; Mills, 2000) y requiere menos espacio y capital los
costos (Mills, 2000). Basado en la literatura, esperaba la oxidacin
electroltica de varillas de hierro seguido por hidrlisis para dar
lugar a la produccin de los hidrxidos de hierro slido, necesarios
para la eliminacin de contaminantes (Chen et al., 2000; Molinos,
2000; Balasubramanian y Madhavan, 2001; Mollah et al., 2004; Kumar
et al., 2004; Parga et al., 2005; Hansen et al., 2006; Kobya et
al., 2006). Sin embargo durante el transcurso de la investigacin,
se encontr que la formacin de hidrxidos de hierro slido fue errtica
a pH 6.5-7.5, y hierro soluble en el agua tratada a pH 6.5 debido a
la tasa de oxidacin lenta en pH bajos. Un estudio detallado sobre
los hidrxidos de hierro formado durante hierro CE se discute en
detalle en otra parte (Lakshmanan et al., 2009). CE se ha divulgado
para ser eficaz en el tratamiento de agua potable (Nikolaev et al.,
1982; Vik et al., 1984; Holt et al., 2002), las aguas residuales
urbanas (Novikova y Shkorbatova, 1982; Tyrina y Morozov, 1982;
Pouet y Grasmick, 1995; Kobya et al., 2006), metales pesados
contaminacin aguas (Osipenko y Pogorelyi, 1977; Mills, 2000),
microorganismos (Mills, 2000; Zhu et al., 2005), turbidez (Han et
al., 2002) y color (Jiang et al., 2002) se han quitado por la CE.
Algunos estudios han reportado CE ser efectivo en la remocin de
arsnico del agua y aguas residuales (Balasubramanian y Madhavan,
2001; Kim et al., 2002; Kumar et al., 2004; Parga et al., 2005;
Hansen et al., 2006). Arienzo et al (2002) y Kumar et al (2004)
reportaron la simultnea oxidacin y remocin de as (III) durante el
EC. La literatura en la oxidacin electroqumica indica posible
generacin andica de cloro, que tiene la capacidad para oxidar as
(III) (Kim et al., 2002). Porque H3AsO3 existe en pH < 9, es
bien aceptado que para la eficiente remocin de as (III), un paso de
oxidacin previo es esencial (Clifford, 1990). As que si es verdad
la literatura sobre la posible oxidacin, CE se espera que sea un
proceso ventajoso en simultneamente oxidantes y la eliminacin de as
(III). Los objetivos de este estudio fueron (a) verificar la
capacidad divulgada de oxidar As(III)-As(V) por CE y quitar as (v)
por la adsorcin, (b) Comparar CE con CC para la remocin de as (v) y
as (III) y (c) estudiar el efecto de los iones que compiten en la
remocin de arsnico durante la CE y CC.2. materiales y mtodos2.1.
Los reactivosReactivos qumicos analticos y Agua Milli-Q(18 Mohm.cm)
fueron utilizados para preparar todas las soluciones stocks. Normas
primarias de 100 mg As/L de cada especie fueron preparadas del
sodiumm-arsenito de As (III) y sodio arseniato de As (v) que la
cantidad requerida (0,05 mg/L) de As (III) o As (v) era muestras
mezclada, el agua del reto justo antes de los experimentos de
coagulacin. Sales de sodiumnitrate (NaNO3), sodiumbicarbonate
(NaHCO3), fosfato de sodio monohidrato (NaH2PO4.H2O), fluoruro
sdico (NaF), nona-hidrato del metasilicato de disodio
(Na2SiO3.9H2O), heptahidrato del sulfato de magnesio (MgSO4.7H2O) y
cloruro de calcio dihidrato (CaCl2.2H2O) fueron utilizados para
preparar soluciones madre concentradas que se diluyeron para
preparar el desafo agua. La accin coagulante qumico, 1 g/L Fe2+ o
Fe3+ se prepararon en agua desionizada usando sulfato ferroso
(FeSO4) y cloruro frrico (FeCl3), respectivamente. La accin
coagulante fueron preservada con cido y la concentracin exacta de
metal analizado mediante espectrometra de absorcin atmica de llama
(AAS).2.2. Preparacin de las reservas de agua y coagulante de
desafoProductos qumicos reactivos analticos y (Milli-Q 18 MU cm) de
agua fueron utilizados para los estudios. Todos los estudios se
llevaron a cabo con 53 NSFI reto agua (tabla 1), agua de desafo
estndar para las pruebas de arsnicas adsorbentes. El agua de desafo
NSFI (NSF / ANSI, 2007) con la composicin se muestra en la tabla 1
contiene las concentraciones representativas de agua subterrnea de
slice, sulfato, fosfato, fluoruro y dureza, que son conocidos por
afectar la capacidad de adsorcin de arsnico de los adsorbentes.
Esto es el agua de desafo estndar para las pruebas de adsorbentes
de arsnico. Estabilidad del agua desafo no era un problema porque
se prepar en el da del experimento, y los estudios han demostrado
que el agua de desafo era estable con respecto a la precipitacin de
CaCO3 y la oxidacin de as (III) al menos una semana (Tripp, 2001).
Se ajust el pH de las aguas subterrneas sinttico utilizando solucin
diluida de HCl o NaOH.
La cantidad requerida (0,050 mg/L) de as (III) o as (v) se
enriquecieron en el agua del reto justo antes de los experimentos
de coagulacin. 2.3. La unidad de electrocoagulacin, instalacin y
procedimiento de remocin de arsnicoUna unidad de CE-balanzas con
tres pares de nodo-ctodo se utiliz para esta investigacin (Fig. 1).
Tena un volumen de 490 mL activo incluyendo flujo por cmara de
electrodo y el bucle de recirculacin. La opinin de plan de los
nodos en forma de varilla de hierro (22 cm largo, 5 mm de dimetro)
y ctodos de acero cilndrica porosa utilizados se muestra en la
figura 1. El nodo de hierro (98.5% Fe) y ctodo de acero inoxidable
fueron hechas usando los materiales disponibles en el mercado. La
superficie activa total del nodo de hierro fue de 110 cm2. La bomba
de reciclaje dado de alta en el rea anular entre el ctodo y el nodo
de cada uno de los tres pares de cathodeeanode para eliminar el
nodo donde se gener el coagulante de hierro. Ajustando la corriente
de funcionamiento y tiempo de generacin, se obtuvo la concentracin
deseada de hierro. 12 V, 1.2 corriente continua potencia suministro
(HP 6214A) suministra corriente controlada a los electrodos.Los
resultados de experimentos de oxidacin/deterioro deliberado del
nodo demostraron que la limpieza de las barras de hierro se
requiere para la generacin de hierro estable (Lakshmanan et al.,
2009). Despus de eso, las barras de hierro fueron limpiadas en el
da del experimento frotando con papel de lija para quitar todo el
moho y las oxy/hidrxidos capa. Desafo NSFI agua enriquecido con as
(v) o as (III) ajustado a pH especfico (6.5, 7.5 y 8.5) fue vertido
en la parte superior de la unidad de CE y se recicla en
aproximadamente 500 mL/min para asegurar que la plancha generada
rpidamente fue lanzada desde la superficie e hidrolizada. La mayora
de los experimentos de remocin de arsnico fueron funcionada en el
modo por lotes, es decir, la unidad CE se llen de agua de desafo y
se aplic una corriente constante para el tiempo de electrlisis
especficas dependiendo de la dosis de hierro que se generen. El
agua del reto se recircula para un total de 2 min, incluyendo el
tiempo de electrlisis. Despus de la CE, inmediatamente fue vaciar
el agua en un vaso, y las muestras conservan y analizan para
arsnico y hierro.
Aunque lote CE realizaron experimentos bajo condiciones de
estado no estacionario por lotes, como ha sido la prctica de otros
investigadores, un nmero limitado de experimentos de flujo
continuo, estado estacionario EC para la remocin de As (v) se
llevaron a cabo a pH 6.5, 7.5 y 8.5. El procedimiento utilizado fue
el siguiente: 245 +/- 10 mL/min de reto de agua enriquecida con 50
mg/L de As (v) se alimentan continuamente en la parte superior de
la unidad CE (tiempo de residencia = 2 min) y reciclados en
aproximadamente 500 mL/min con una corriente de 28 +/- 2 mA
aplicada continuamente. Los experimentos se llevaron a cabo durante
1 h para asegurar el logro del estado estable. A intervalos
regulares, se colectaron muestras en la salida del rebosadero. Un
filtrado de las muestras fueron preservadas para anlisis de hierro
total y las muestras filtradas fueron preservados para el arsnico y
el anlisis de hierro soluble como sea necesario.2.4. Procedimiento
de extraccin arsnico durante la coagulacin qumicaLos estudios de
coagulacin qumica se realizan ensayos de jarras usando y pesando
coagulante frrico (FeCl3) y ferroso (FeSO4) que se agrega en el
agua de desafo NSFI. Debido a la acidez del coagulante, el pH del
agua desafo cay despus de la dosificacin. Por lo tanto, se
realizaron valoraciones previas para determinar la cantidad de NaOH
necesaria para lograr el equilibrio deseado del pH siguiente a la
dosificacin. La solucin problema enriquecido con arsnico y ajustado
a un pH especfico (6.5, 7.5 y 8.5) se aadi a cada frasco. Con el
aparato de agitacin a la rpida mezcla de velocidad de 100 rpm (G =
100 1/s), se agregaron el coagulante y una cantidad predeterminada
de solucin de NaOH. Despus de mezclar por 2 min, se colectaron
muestras y conservadas como sea necesario de las filtradas y no
filtradas. 2.5. Conservacin y anlisis2.5.1. Anlisis y preservacin
de muestras arsnicoDespus de experimentos CE y CC, el agua tratada
se recolect utilizando una jeringa y filtrada a travs de un filtro
de membrana de 0.2 mm. Para la determinacin de arsnico total
soluble (As(Tot)), las muestras fueron preservadas en HNO3 diluido
(Conc. final 0,1%, pH < 2) y para la determinacin de Ars (III),
las muestras se conservaron en cido actico y EDTA como requiere la
especiacin de arsnico inorgnico (Samanta y Clifford, 2005). Se
realizaron anlisis de arsnico usando espectrometra de absorcin
atmica-generacin de hidruro de inyeccin de flujo (FI-HG-AAS). Un
sistema de anlisis de inyeccin de flujo junto con un
espectrofotmetro de absorcin atmica equipado con una lmpara de
descarga electrodeless en una longitud de onda de 193.7 nm fue
utilizado. Para determinar arsnico total [As(Tot) = As (III)+As
(v)], las muestras fueron tratadas con L-cistena en 2 M de HCl y
mantuvo durante 15 min a temperatura ambiente para reducir
As(V)-As(III). Para determinar el As (III) en presencia de As (v),
el portador de la solucin de cido clorhdrico fue sustituido por
cido ctrico de 2 M / tampn citrato a pH 5,0. Se calcul entonces el
As (v) de la diferencia de As(Tot) y As (III) (Samanta y Clifford,
2005).2.5.2. Preservacin y anlisis de hierroPara la determinacin
del hierro total, sin filtrado muestras de CE y FeCl3 coagulantes
existencias fueron disueltos en diluir HNO3 (Conc. final 0,1%). La
concentracin exacta del hierro total se analiz mediante
espectroscopa de absorcin atmica de llama (AAS) segn los mtodos
estndar (Clesceri et al., 1998). Tambin se analiz la concentracin
de Fe2 + por espectrofotmetro UV mtodo de la 1,10 fenantrolina
(Vogel, 1978), tomando muestras no filtradas disueltas en 0,1% cido
clorhdrico. Luego se calcul la concentracin de hierro insoluble
(Fe3 +) de la diferencia entre el total de hierro y Fe2 +.2.6.
Efecto de los iones que compiten en la remocin de arsnicoCC y CE
experimentos discutidos anteriormente se repiten para las
siguientes composiciones de reto de agua enriquecido con as (v) a
pH 6.5, 7.5 y 8.5 para determinar el efecto del slice y del fosfato
en la adsorcin de as (v). NSFI-53 sin silicona (i.e., Si = 0 mg/L
PO4-P = 40 mg/L) NSFI-53 sin fosfato (i.e., P = 0 mg/L, Si = 20
mg/L) NSFI-53 sin slice y fosfato (i.e., Si = 0 mg/L y PO4-P = 0
mg/L)3. resultados y discusin3.1. Funcionamiento de la unidad de
electrocoagulacinLa unidad CE primero fue probada por su capacidad
para generar hierro en proporcin a la corriente operando en
diferentes valores actuales, tanto en modo continuo y por lotes. Se
tomaron muestras para anlisis de hierro total, generado por unidad
de CE, desde el efluente de la unidad EC en cada condicin de
funcionamiento-actual diferente. Para determinar la eficacia de la
actual, la cantidad de hierro generado se calcul usando la ley de
Faraday. Los detalles experimentales y los resultados se dan
ampliamente en otros lugares (Lakshmanan, 2007). Tanto en modo
continuo y por lotes, el hierro generado experimentalmente era
constante con la produccin de Fe2 en los nodos. Ajustando la
corriente de funcionamiento y caudal de fuentes de agua a tratar,
se obtuvo la concentracin deseada de hierro. Los datos
experimentales de la generacin de hierro no ajusta la curva terica
perfectamente y estaba dispersa en lotes en comparacin con la
operacin de modo continuo probablemente debido a la operacin de
estado no estacionario. La eficacia actual calculada con respecto a
la generacin total de hierro era >95% en modo continuo y 80-95%
en modo por lotes basan en la pendiente de la curva de mejor ajuste
lineal con intercepto cero.
3.2. Arsnico retiro durante la coagulacin qumica en agua desafo
NSFI3.2.1. Arsnico extraccin con cloruro frrico como coagulanteLas
eficiencias de remocin de As (v) y As (III) en NSFI agua desafo en
CC con FeCl3 en funcin de la dosis de coagulante y pH se muestran
en la figura 2. Las eficiencias de remocin de As (v) eran
dependiente del pH y los retiros aumentaron con la disminucin de pH
(Fig. 2a). Remocin de As (III) era independiente del pH en el rango
de pH de 6.5 -8.5 (Fig. 2b). La eficiencia de remocin de As (III)
fue encontrada para ser igual a la eficiencia de remocin de As
(Total) (Fig. 2b), no confirmando la oxidacin de As (III) durante
la coagulacin FeCl3.3.2.2. As (v) remocin con sulfato de hierro
como coagulantePara entender la importancia de la dosificacin Fe3 +
en comparacin con Fe2 + para remocin de arsnico, que demostr para
ser fundamental durante la generacin de Fe2 + en la CE, se
realizaron experimentos CC con FeSO4 como coagulante en el agua de
desafo NSFI a pH 6.5, es decir, las condiciones experimentales
similares a CC con FeCl3 (mezcla rpida a 100 rpm por 2 min). La
comparacin de las eficiencias de remocin de as (v) con FeSO4 (Fe2
+) y FeCl3 (Fe3 +) demostr la absorcin insignificante con Fe2 +
(< retiro del 10% para 2,5 mg/L Fe2) frente a absorciones
obtenidas con Fe3 + (aprox100% eliminacin de 2,5 mg/L Fe3 +) a pH
6.5 (figura S1 en material de apoyo). El anlisis del filtrado de CC
con Fe2 + demostr > 95% de hierro soluble (Fe2 +) permanecen en
el agua tratada desafo para todas las dosis. Los resultados fueron
consistentes con Fe2 + oxidacin estudios FAS como coagulante en
reto agua que demostr insignificante oxidacin (< 5%) al final de
2 minutos de la mezcla a un pH 6.5 (Lakshmanan et al., 2009). Los
resultados fueron consistentes con Fe2 + oxidacin estudios FAS como
coagulante en reto agua que demostr insignificante oxidacin (<
5%) al final de 2 minutos de la mezcla a un pH 6.5 (Lakshmanan et
al., 2009). 3.3. Arsenic(V) retiro durante la electrocoagulacin en
agua desafo NSFI3.3.1. As(v) eliminacin en modo por lotesLos
retiros de as (v) en NSFI desafan agua debido a hierro
xidos/hidrxidos generados en la CE mostr errtica absorcin a pH 6.5,
mientras que a pH 7,5 y pH 8.5 los retiros eran ms constantes (Fig.
3a). Las eficiencias de remocin de As (v) a pH 6.5 y 7.5 fueron
similares, y comparacin de las eficiencias de remocin a pH 7.5 y
8.5 demostr que, con el aumento de pH, la remocin de As (v)
disminuida como fue el caso de CC. Era de esperarse, basado en
informes de la literatura (Chen et al., 2000; Molinos, 2000;
Balasubramanian y Madhavan, 2001; Mollah et al., 2004; Kumar et
al., 2004; Parga et al., 2005; Hansen et al., 2006; Kobya et al.,
2006) que xidos insolubles de hierro / hidrxidos (Fe(OH)2 (s) o
Fe(OH)3(s)) sera el final productos despus de electrlisis y de
hidrlisis durante el EC Por lo tanto, se esperaba que retiros de As
(v) sean similares si no mejor que en CC. Sin embargo, los
resultados observados fueron en contraste con las expectativas
particularmente a pH 6.5 y a un grado, a pH 7,5. As determinar si
el xido de hierro/hidrxidos insolubles se formaron durante CE,
detallados estudios sobre los mecanismos fundamentales que
intervienen y los productos formados durante la CE se llevaron a
cabo en una unidad de CE unicelular ms pequeo, ms fcil para manejar
(Lakshmanan et al., 2009). Los resultados mostraron aumento de la
concentracin de Fe2+ soluble con la disminucin de pH.La
concentracin de hierro ferroso soluble (Fe2+) y hidrxido de xido de
hierro insoluble (Fe(OH)3 (s) / FeOOH(s) como Fe3+) formado despus
de 2 min de la mezcla se muestran en la figura 3b. Incluso Aunque
hubo eficiencias de remocin de As(v) significativas, se observaron
concentraciones significativas de hierro soluble en el lquido
filtrado a pH 6,5 (70-85% Fe2+) y pH 7.5 (20-30% Fe2+). El ayudara
a xidos frricos/hidrxidos slidos formados en retiro de arsenico,
mientras que el soluble Fe2+ pasara a travs del filtro y no ayuda
en el retiro. A pH 6.5, ms del hierro presente despus de 2 min Fe2+
soluble, que no se fijan por adsorcin de As (v). Una comparacin de
la absorcin de As (v) a pH 6,5 durante la CE y Fe2+ CC demostrada
> 50% retiro durante la CE, mientras que es menor del 10%
posible con Fe2+ coagulante. Esta adsorcin superior durante CE fue
posiblemente debido a las superficies de hierro xido/hidrxido de
las barras de hierro en la unidad de CE en estado no estacionario
por lotes operacin, que fue confirmada por experimentos EC
continuos discuten a continuacin. Otra razn de la mayor Fe2+
oxidacin durante el CE (15e30%) en comparacin con (CC