Simulación matemática de la cinética de oxidación de compuestos orgánicos en aguas residuales sobre electrodos de Ti/RuO2-IrO2

Abstract

Los problemas de contaminación de recursos hídricos están relacionados principalmente con inadecuados sistemas de tratamiento de efluentes industriales, lo cual genera el gran desafío para la comunidad científica de desarrollar tecnologías innovadoras que permitan eliminar contaminantes orgánicos a costos razonables. Los Procesos de Oxidación Avanzada (POAs), que incluyen los procesos de oxidación electroquímica, han alcanzado popularidad en el tratamiento de aguas residuales debido a las numerosas ventajas que presentan en comparación con alternativas convencionales, tales como: la mineralización completa de contaminantes, baja concentración de subproductos, bajo consumo de energía, entre otras. Durante el presente trabajo de tesis se evaluó la cinética de evolución de oxígeno sobre un ánodo de Ti/RuO2-IrO2 (electrodo de tipo activo) en Na2SO4 0,5 M, de manera de evaluar el efecto que tiene la variación de temperatura en un rango de 25 a 40ºC y la variación del pH de la solución entre 1,5 y 5, con lo cual se observó que al mantener el pH de la solución y aumentar la temperatura se refleja un incremento de 47,92% en la densidad de corriente promedio, mas no se apreció algún efecto en el potencial de equilibrio para la reacción de evolución de oxígeno. Por otro lado, a temperatura constante y reduciendo el pH de la solución la densidad de corriente promedio obtenida disminuye en 2,6% en un rango de potencial de 1 a 1,50 V vs Ag/AgCl (3,5 M KCl) y el potencial estándar para la evolución de oxígeno aumenta, lo cual favorece a la reacción de oxidación electroquímica de contaminantes en el sistema. A partir de un modelo microcinético que permitió simular las curvas de polarización obtenidas mediante voltametrías lineales, se determinó que las constantes de velocidad para las reacciones directas del mecanismo de evolución de oxígeno aumentan a medida que disminuye el pH, lo cual corresponderá a un incremento en la velocidad de cada reacción para formación de productos intermediarios (OH y O) y producción de oxígeno. En vista de lo anterior, se seleccionan la temperatura de 25ºC y el pH igual a 1,5 como condiciones óptimas para la degradación del compuesto orgánico, dado que favorecen la formación de especies intermediarias en la superficie del electrodo y retardan el potencial para la evolución de oxígeno gas. Producto de la reacción paralela de evolución de oxígeno sobre el electrodo de Ti/RuO2-IrO2, se observó una eficiencia de corriente máxima de 40% a 1,30 V vs Ag/AgCl (3,5 M KCl) para la degradación del compuesto orgánico naranja de metilo (10 mg L-1 en una solución acuosa 0,5 M de Na2SO4). Sin embargo, a mayores potenciales una mayor fracción de los sitios MOx+1 son ocupados por el orgánico, y dada la baja concentración de este en solución es posible descomponerlo en un 80\% en un tiempo de 90 minutos a un potencial anódico de 1,50 V vs Ag/AgCl (3,5 M KCl), a pesar de que la evolución de oxígeno es favorecida producto de la rápida regeneración de especies O en la superficie.