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Degradacion y Mineralizacion de Tartrazina mediante Electrooxidacion. Optimizacion de las Condiciones de Operacion.

Tartrazine Degradation and Mineralization by Electrooxidation. Optimization of the Operating Conditions

INTRODUCCION

Las aguas residuales industriales que contienen colorantes son complejas de tratar. Los colorantes aparecen en los efluentes de la fabricacion de papel y pulpa, tenido de tela, textiles, tratamiento de cuero, impresion, productos alimenticios y de tinte. En la actualidad, existen mas de 10000 colorantes comercialmente disponibles (Wawrkzkiewics y Hubicki, 2009) y se estima que entre el 10 y el 15% del colorante se pierde en el efluente durante el proceso. Estos valores son preocupantes si se considera que los colorantes pueden ser micro-toxicos y cancerigenos para vida acuatica (Gupta et al., 2011). Ademas, las operaciones industriales de coloracion exigen gran cantidad de agua, entre 125 y 170 L/kg de producto (Robinson et al., 2001). Las estructuras de los colorantes y sus atributos son muy complejos y variables, muchos de ellos tienen origen organico, son solubles en el agua, tienen alta resistencia a la accion de agentes quimicos, asi como baja biodegradabilidad (GilPavas, et al., 2012). La mayoria de estos residuos (aproximadamente el 70% en peso) son del tipo azo, mientras que los colorantes de antraquinona constituyen la segunda clase mas importante de los colorantes textiles (Modirshahla, Behnajady y Kooshaiian, 2007; Yusuf y Reza, 2012).

La tartrazina es un colorante azoico, sintetico, amarillo, utilizado a menudo en la industria textil, de alimentos y farmaceutica (Modirshahla, Behnajady y Kooshaiian, 2007). Convencionalmente, las aguas residuales contaminadas por colorantes azoicos se tratan con metodos de precipitacion o adsorcion seguidos, ocasionalmente, por tratamientos biologicos. Estos metodos presentan importantes problemas relacionados con la generacion de lodos peligrosos dificiles de eliminar (Cruz et al, 2010). Un ejemplo de esto es la formacion de aminas aromaticas en procesos de tratamiento anaerobios, que pueden ser mas toxicas que la molecula del colorante mismo (Jonstrup, Punzi y Mattiasson, 2011; Yusuf y Reza, 2012). Recientemente, los procesos avanzados de oxidacion (PAO) se han convertido en una alternativa interesante para el tratamiento de los colorantes azo. En uno de estos procesos, el proceso de electro-oxidacion (EO), el reactivo principal es un electron que se encarga de degradar los compuestos organicos presentes en el efluente (Mohan, Balasubramanian, y Basha, 2007). Fundamentalmente, los metodos electroquimicos estan constituidos por dos medios diferentes: el primero ocurre en el anodo, en donde la oxidacion se produce en la superficie del electrodo (electrolisis directa), y el segundo, cuando la oxidacion se produce continuamente en la solucion a traves del mediador en la superficie anodica (electrolisis indirecta) (GilPavas et al., 2009; Mohan, Balasubramanian, y Basha, 2007). En la electrolisis directa, la velocidad de oxidacion depende de la actividad del electrodo, la velocidad de difusion de los contaminantes y de la densidad de corriente. Por el otro lado, la temperatura, el pH y la velocidad de difusion de los oxidantes generados determinan la velocidad de oxidacion en la electrolisis indirecta (Martinez-Huitle y Brillas, 2009). En esta ultima, es una practica comun adicionar sales como el NaCl o el KCl a las aguas residuales para mejorar su conductividad y para generar iones hipoclorito beneficiosos para la degradacion.

Otros procesos de EO se basan en la produccion continua in situ de [H.sub.2][O.sub.2] mediante el dopaje de los electrodos de diamante de la unidad de electrolisis y la reduccion de dos electrones del [O.sub.2] inyectado al sistema, como se muestra en la reaccion (1) (Brillas et al., 2010; Badellino, Arruda y Bertazzoli, 2006).

[O.sub.2] + 2[H.sup.+] + 2[e.sup.-] [flecha diestra] [H.sub.2][O.sub.2] (1)

De esta forma, es posible aumentar el grado de mineralizacion de los contaminantes organicos con costos energeticos relativamente bajos. De hecho, el gran poder oxidante de los electrodos de diamante dopados con boro (DDB) para eliminar contaminantes organicos se atribuye a su alto sobrepotencial de [O.sub.2]. Este permite la generacion de gran cantidad de radicales *OH (DDB(*OH)) adsorbidos sobre su superficie tras la oxidacion del agua, como se representa en la ecuacion (2), y la posterior oxidacion de la materia organica de acuerdo a la ecuacion (3) (Brillas et al., 2010; Patino et al., 2012).

DDB + [H.sub.2]O [flecha diestra] DDB[(*OH).sub.Ads] + [H.sup.+] + [e.sup.-] (2)

DDB[(*OH).sub.Ads] + MO [flecha diestra] DDB + mC[O.sub.2] + n[H.sub.2]O + [H.sup.+] + [e.sup.-] (3)

El potencial de oxidacion del [H.sub.2][O.sub.2] se puede incrementar mediante la adicion del ion [Fe.sup.2+] en medio acido. Este ayuda a generar los radicales *OH y el ion [Fe.sup.3+] mediante la reaccion Fenton (ecuacion (4)) (Esquivel et al., 2009).

[Fe.sup.2+] + [H.sub.2][O.sub.2] [flecha diestra] [Fe.sup.3+] + *OH + H[O.sup.-] (4)

Esta variante de la EO es conocida como el proceso electro-Fenton (EF) (Oturan et al., 2010). En el, los radicales *OH producidos se caracterizan por su alto potencial estandar de reduccion (E = 2,8 V vs SHE) (Rocha et al., 2011). Ellos son capaces de mineralizar, de una forma no selectiva, contaminantes organicos a C[O.sub.2], [H.sub.2]O e iones inorganicos (Flox et al., 2007). Otra ventaja del proceso EF sobre el proceso Fenton clasico es la rapida regeneracion del ion [Fe.sup.2+] por la reduccion del ion Fe+3 en el catodo (Martinez-Huitle y Brillas, 2009). El proceso EF se puede mejorar irradiando la solucion con la ayuda de lamparas UV ([[lambda].sub.Max] = 365 nm). Este proceso se conoce como electro-foto-Fenton (EFF). En el, la radiacion actua como catalizador dando lugar tanto a la fotolisis de complejos de [Fe.sup.3+], con la generacion de acidos carboxilicos, asi como a la regeneracion del [Fe.sup.2+] a partir del Fe[(OH).sup.2+]. Asi, la mineralizacion de los compuestos organicos aumenta mediante los radicales *OH generados mediante las ecuaciones (5) y (6) (Flox et al., 2007). Las principales ventajas de las tecnologias de EO, EF y EFF son la simplicidad en su uso, accesibilidad y costo moderado.

Fe[(OH).sup.2+] + hv [flecha diestra] [Fe.sup.2+] + *OH (5)

[H.sub.2][O.sub.2] + hv [flecha diestra] 2 *OH (6)

Pocos estudios se han reportado en la literatura relacionados con la degradacion y mineralizacion de la tartrazina. En uno de ellos, Modirshahla et al. (2007) compararon diferentes materiales de electrodos para la decoloracion de la tartrazina mediante electrocoagulacion. Sus resultados indicaron que las variables que mas influyen en la remocion del color fueron la densidad de corriente, el tiempo de electrolisis, distancia entre los electrodos, concentracion de electrolito y pH de la solucion. Emplearon una celda electroquimica simple con un anodo y un catodo, una solucion de 40 mg/L de tartrazina con 400 mg/L de NaCl y DQO de 30 mg/L. Se obtuvo como resultado la remocion casi del 100% de color y 90% de DQO; en condiciones de pH = 5,78, tiempo de electrolisis = 6 minutos, densidad de corriente = 120 mA/[cm.sup.2], distancia entre electrodos = 1,5 cm, con un anodo de hierro y un catodo de aluminio. Adicionalmente, compararon la eficiencia de la celda electroquimica con electrodos monopolares en serie y en paralelo y con electrodos bipolares. Los resultados obtenidos con los electrodos en configuracion monopolar con conexion en serie fue la mas eficaz. Concluyeron que el proceso con electrodo Fe/Al (anodo/catodo) fue mas eficaz para el tratamiento, en comparacion a los electrodos de Fe/Fe. En otro trabajo, Gupta et al., (2011) investigaron la degradacion de la tartrazina mediante fotocatalisis heterogenea, con UV y Ti[O.sub.2] como catalizador.

Este proceso se llevo a cabo a diferentes condiciones de pH (2,2 a 11), dosis de catalizador (2 a 20 mg) y concentracion del colorante (11-43 mg/L). Las condiciones optimas encontradas para la degradacion de 100 mL de solucion a 30[grados]C, fueron: 32 mg/L de colorante, pH = 11 y 0,18 g/L de Ti[O.sub.2] con un porcentaje de degradacion del 93,6% para la DQO y 96,1% del colorante. Mas recientemente, Oancea et al. (2013) evaluaron el proceso foto-Fenton para la degradacion de tartrazina con una concentracion de 5,53 mg/L y pH = 3. Emplearon un fotoreactor a escala laboratorio y determinaron las mejores condiciones de operacion para la concentracion de [H.sub.2][O.sub.2] (6 x 10-4 M), [Fe.sup.2+] (8,28 X 10-5 M) y temperatura (323 K). Despues de 20 minutos de reaccion, obtuvieron una degradacion de la tartrazina del 98% y del COT del 43%. Incrementando el tiempo de tratamiento a 120 minutos, reportaron una degradacion del COT del 80%. Otro avance importante fue el reportado por Thiam et al. (2014), quienes emplearon un tratamiento electroquimico secuencial que consistio en una etapa de electrocoagulacion (EC) como pretratamiento y la posterior oxidacion mediante proceso electro-foto-Fenton (EFF). Ellos realizaron el proceso de EC como pretratamiento empleando electrodos de Fe/Acero, con una concentracion inicial de tartrazina de 278 mg/L, 0,05 M de NaCl, pH = 6,3 y 200 mA para un tiempo de tratamiento de 15 minutos; posteriormente, centrifugaron la solucion y el sobrenadante se sometio a un proceso de FEF, empleando electrodos de DDB/Electrodo de difusion de aire (ADE) a un pH de 3 durante 300 minutos de reaccion, obteniendo mineralizacion completa. En ninguno de los casos mencionados se reporto un analisis sistematico para encontrar las condiciones de operacion optimas.

En esta investigacion se evaluo la viabilidad de los tres procesos de electro- oxidacion mencionados (EO, EF y EFF) para la degradacion y mineralizacion de la tartrazina. La eficiencia del proceso de EO fue evaluada y optimizada mediante la metodologia de superficie de respuesta (MSR) (GilPavas et al., 2009). Se estudio como las variables mas significativas para el proceso afectan la velocidad de degradacion del colorante (DC) y de la materia organica e inorganica en terminos de la demanda quimica de oxigeno (DQO) y el grado de mineralizacion (en funcion de la degradacion del carbono organico total, COT). La optimizacion mediante MSR implico los siguientes pasos: (1) Implementacion estadistica del diseno de experimentos; (2) Estimacion de los coeficientes de un modelo matematico utilizando tecnicas de analisis de regresion; (3) Prediccion de la respuesta y (4) Verificacion del modelo. Se utilizo como herramienta un diseno del tipo Box-Behnken (DBB) para la programacion de cada uno de los ensayos experimentales y la optimizacion de las condiciones de reaccion. Posteriormente, EF y EFF fueron desarrollados a las condiciones optimas de operacion de la EO.

MATERIALES Y METODOS

Muestras

Muestras sinteticas fueron preparadas con agua desionizada y colorante tartrazina (89,33% de pureza) suministrado por la empresa ColorQuimica. En la Tabla 1 se presentan la estructura quimica de la tartrazina, sus caracteristicas y las condiciones iniciales de las muestras a tratar.

La adecuacion de la conductividad se efectuo con NaCl grado comercial (Refisal) y el pH con [H.sub.2]S[O.sub.4] al 99,1% (Mallinckrodt Analytical Reagent) o NaOH grado comercial (Bell Chem Internacional S.A.). Para el proceso EF se utilizo FeS[O.sub.4].7[H.sub.2]O grado analitico (J.T. Baker) como fuente de iones [Fe.sup.2+].

Celda de Electro-Oxidacion

Para todos los experimentos, se empleo un reactor de vidrio de borosilicato con capacidad de 42 mL. Este incluye dos electrodos con configuracion monopolar: uno de placa plana de titanio (catodo), con un area total 55 [cm.sup.2] y area efectiva de reaccion de 40 [cm.sup.2]; y el otro, un electrodo de diamante dopado con boro (anodo DDB, 0,5 mm sustrato de silicona, marca Fraunhofer, USA Center for Coatings and Laser Applications) con un area total 6 [cm.sup.2] y area efectiva de reaccion de 2 [cm.sup.2]. Los electrodos fueron puestos verticalmente en la celda, con distancia entre ellos de 5 mm. La celda contiene ademas un agitador magnetico Corning.

Para el proceso de EFF, se usaron lamparas UV de 365 (4W). Se utilizo como fuente de energia un equipo BK-Precision (0-30 V, 0-5 A) y un sistema de enfriamiento de flujo continuo conectado a un bano criogenico (Polyscience 712), que permite mantener la temperatura de reaccion constante (25-30[grados]C). En la Fig. 1 se muestra el diagrama de flujo del proceso.

El tiempo de reaccion fue de 15 minutos para los ensayos experimentales y de 30 minutos para los estudios cineticos. La eficiencia del proceso se evaluo midiendo los porcentajes de degradacion del colorante (%DC), de degradacion de la DQO (%DDQO) y mineralizacion de la solucion (%DCOT). Estos fueron calculados como se muestra en la expresion (7).

%DC = ([C.sub.0] - C)/[C.sub.0] * 100 (7)

donde [C.sub.0] y C representan, respectivamente, la concentracion inicial y final del colorante, de la DQO o del COT.

Metodos Analiticos

Para seguir la evolucion de la cinetica de degradacion del colorante, se utilizo la tecnica de espectroscopia (Espectrofotometro, Spectronics Genesys 2PC). Las concentraciones se determinaron a partir de sus caracteristicas de absorbancia en el UV-VIS (200-700 nm) y se midieron basados en la curva de calibracion construida a la longitud de onda de maxima absorbancia (430 nm) con concentraciones de 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60 mg/L. El procedimiento empleado para medir la DQO fue el metodo estandar de reflujo cerrado, (metodo 5220D, Kit test 0-26, DQO 160, Macherey-Nagel). La medicion del COT fue realizada usando el metodo estandar de oxidacion humeda con medicion colorimetrica (metodo 5310D, Kit test 0-94, COT 60, Macherey-Nagel). Para este procedimiento se empleo un Termoreactor Spectrocuant TR 420 Merck y el equipo Nanocolor 500D Macherey-Nagel (Standar Methods, 2005). El pH y la conductividad de cada una de las muestras fueron determinadas mediante el equipo multiparametrico (pHmetro y coductimetro) Thermo Scientific orion 5 star.

Diseno experimental

Se uso un diseno factorial fraccionado del tipo [2.sup.n-1], con tres puntos centrales. En la Tabla 2 se muestran los factores evaluados y los tres niveles elegidos para la programacion de las pruebas experimentales.

Se definio un diseno preliminar con 19 experimentos para determinar las variables mas relevantes para el proceso de EO. De acuerdo con los resultados obtenidos (que no se presentan en este articulo), se fijaron los parametros de conductividad y agitacion de la solucion en 1060 [micron]S/cm y 340 rpm, respectivamente. Con estos valores fijos, se realizo un DBB que incluia las variables restantes: pH, concentracion de colorante y densidad de corriente. Los experimentos se realizaron en las condiciones mostradas en la Tabla 3.

Para el analisis estadistico se empleo el analisis de varianza (ANOVA), diagrama de Pareto, grafica de superficie de respuesta y la correlacion de los mismos, con el fin de determinar si cada uno de los factores analizados tiene un efecto significativo sobre la velocidad de degradacion del colorante. Se realizaron 15 experimentos de manera aleatoria con el fin de evitar algun sesgo sistematico. Cada uno de los factores se estudio a tres niveles, de acuerdo con resultados obtenidos en ensayos preliminares. Las variables fueron codificadas de acuerdo a la ecuacion (8) (Montgomery, 2005).

[X.sub.i] = ([x.sub.i] - [x.sub.pc])/[DELTA][x.sub.i] (8)

donde [X.sub.i] es el nivel codificado, [x.sub.i] es el valor real, [x.sub.pc] es el valor real del punto central y [DELTA][x.sub.i] es el valor del cambio de la variable entre nivel. Los datos fueron ajustados a un modelo polinomico de segundo orden. El modelo empleado en la superficie de respuesta fue el siguiente:

[Y.sub.i] = [[beta].sub.0] + [3.suma de (1)][[beta].sub.i][X.sub.i] + [3.suma de (1)][[beta].sub.ii][X.sup.2.sub.ii] [3.suma de (1)] [3.suma de (1)][[beta].sub.ij][X.sub.i][X.sub.j] (9)

donde; [[beta].sub.0], [[beta].sub.i], [[beta].sub.ii], [[beta].sub.ij], son los coeficientes de regresion para los terminos intercepto, lineal, cuadratico e interacciones, respectivamente y [X.sub.i] y [X.sub.j] son las variables independientes. La calidad de este modelo y su poder de prediccion, estan relacionados con el coeficiente de variacion, [R.sup.2]. Las respuestas fijadas como objetivo en este proceso fueron el %DC y el %DDQO ([Y.sub.i]). La programacion de los experimentos y analisis estadistico de los datos se realizo con ayuda del software estadistico Statgraphics 5.1.

RESULTADOS Y DISCUSION

Los resultados de %DC y %DDQO obtenidos del diseno de experimentos para el proceso de EO se resume en la Tabla 4. Se observa que el mejor resultado fue bajo las condiciones de operacion del ensayo 2, con un %DDQO del 77,5% y un %DC del 96,9%.

El ANOVA de los resultados mostro que estadisticamente la Ci tiene un efecto muy significativo (valor de P < 0,05) en el proceso de degradacion de la materia organica. De igual manera, las interacciones Ci-Ci y i-i con un coeficiente de correlacion de [R.sup.2] = 94,1% (Tabla 5).

Estos resultados se resumen en el diagrama de Pareto (Fig. 2). Asi, es posible decir que la variable concentracion de colorante (A:Ci) es la que mas influye en el proceso de degradacion (en %DDQO).

En la Fig. 3 se presenta la superficie de respuesta obtenida. Se observa que en el intervalo de Ci de 20 a 40 ppm, el %DDQO es elevado y aumenta paulatinamente hasta aproximadamente 40 ppm. Despues de este valor, el %DDQO comienza a disminuir. De hecho, durante el proceso de EO se genera una cantidad significativa de radicales *OH, los cuales se encargan de la mineralizacion de la materia organica; la produccion de radicales *OH bajo unas condiciones establecidas es constante, por lo tanto, al aumentar la concentracion de colorante e incrementar la carga organica, la transformacion del contaminante disminuye (como tambien lo observaron Ramirez et al., 2012).

%DDQO = 159.004 + 1.31621*[C.sub.i] - 24717.5*i - 9.92583 * pH - 0.0225604 * [C.sup.2.sub.i] +

102.55 * [C.sub.i] - 0.16025 * [C.sub.i] * pH + 1.17733[e.sup.6] * [i.sup.2] + 750.667 * i * pH + 1.13259 * [pH.sup.2] (9)

El pH de la solucion es otro factor importante en el tratamiento de aguas residuales. En los procesos de EO, algunos autores reportan que la degradacion se favorece en medio basico (Rabaaoui y Allagui, 2012) mientras, en contraste, otros autores indican que la eficiencia del proceso se favorece en medio acido (Panizza y Cerisola, 2004). De acuerdo a la revision bibliografica, se puede concluir, que el efecto del pH es fuertemente dependiente de la naturaleza del contaminante investigado y del soporte electrolitico empleado. Sin embargo, segun la informacion incluida en la Tabla 4 y en la Fig. 2 no existe una influencia importante en el intervalo de pH estudiado (3-6). Con respecto a esta variable, finalmente es importante recalcar que el pH = 6 corresponde con el valor natural de varios efluentes industriales que contienen tartrazina, razon por la cual se seleccionara este valor para estudios posteriores.

La densidad de corriente afecta la eficiencia de degradacion de los contaminantes, la cinetica de reaccion y los costos de operacion del proceso de EO. La densidad de corriente incrementa y mejora la velocidad de degradacion de los contaminantes debido a que la produccion de radicales *OH aumenta. En la Fig. 3 se observa que el %DDQO no varia significativamente en la region experimental evaluada (entre 5 y 10 mA/[cm.sup.2]). Esto significa que la cantidad de radicales *OH y de [H.sub.2][O.sub.2] electro-generados es casi constante y suficiente para degradar totalmente la materia organica presente. Sin embargo, la naturaleza del contaminante y las condiciones de operacion pueden generar conclusiones diferentes (Ramirez et al., 2012). Considerando los resultados obtenidos, las condiciones optimas del proceso de EO fueron: concentracion inicial de tartrazina = 30 ppm, densidad de corriente = 5 mA/[cm.sup.2], pH = 6, conductividad = 1060 [micron]S/cm (ajustada con 10 mM de NaCl), distancia entre electrodos = 5 mm y agitacion de la solucion a 340 rpm. A estas condiciones se realizo el estudio cinetico.

Cinetica de Degradacion de Tartrazina

La Fig. 4a muestra la degradacion de la tartrazina en diversos periodos de tiempo mediante el proceso de EO. De analisis espectrofotometricos, se ha establecido que las bandas a longitudes de onda de 257 nm y 430 nm son particulares para los anillos aromaticos individuales y al grupo cromoforo -N=N- (responsable del color amarillo), respectivamente (Oancea y Meltzer, 2013). En la Fig. 4a se observa que, durante el proceso de EO, la banda de longitud de onda 430 nm disminuye considerablemente; sin embargo, la banda de 257 nm no presenta un cambio tan marcado. Luego de 10 min de tratamiento, se observa una disminucion notable de la banda del grupo cromoforo. Sin embargo, se detecta la formacion de compuestos intermedios, que registran una senal en el intervalo de longitud de onda entre 320-360 nm (en los tiempos de tratamiento de 15 a 20 min). Al final del proceso de electro-oxidacion (30 min), se observo una eliminacion del color bastante notable. Se observo tambien que la senal asociada a la aparicion de compuestos intermedios aumento. Adicionalmente, se resalta la formacion de un pico que sobresale en la longitud de onda de 220 nm y que corresponde a la presencia de [H.sub.2][O.sub.2] formado durante el proceso de EO. Observaciones similares fueron reportadas por Rajeshwar e Ibanez (1997).

Con el fin de mejorar el desempeno del proceso de EO, se adiciono a la mezcla reactiva 0,3 mM de [Fe.sup.2+] (valor previamente optimizado). Estas condiciones combinadas corresponden al proceso de electro-Fenton (EF). La Fig. 4b presenta los resultados obtenidos. Se observa que, durante los primeros 15 minutos, la degradacion de colorante es mas lenta que en el proceso EO. Sin embargo, el %DC es similar al final de tratamiento. Es notable ademas que no se detecto la formacion de compuestos intermedios (no hay senales en la region de longitud de onda entre 320-360 nm). Esto implica una mayor eficiencia del proceso de degradacion denotandose un efecto sinergico entre el [H.sub.2][O.sub.2] electro- generado y la adicion de [Fe.sup.+2], como tambien se encuentra reportado en otros trabajos (Costa et al., 2009; Cruz et al., 2012). Los resultados obtenidos con el proceso EFF se presentan en la Fig. 4c. Se observa que despues de 30 minutos de tratamiento, la banda de 430 nm presenta el menor valor de los tres procesos evaluados. Adicionalmente, la banda a 220 nm, y que corresponde al [H.sub.2][O.sub.2] formado, presenta un valor mucho mas importante debido al efecto sinergico que se presentan las condiciones del proceso, atribuibles al aumento del poder oxidativo de la reaccion y la foto-descomposicion de los contaminantes. En la Fig. 5 se muestra la evolucion de la de degradacion de DQO y COT. Se puede determinar que el proceso EFF es el mas eficiente, con un %DDQO de 92.5 y una mineralizacion (%DCOT) del 90%.

En general, los resultados obtenidos en esta investigacion son bastante positivos para la eliminacion de color (hasta un 100%) y degradacion y mineralizacion de la materia organica (92,5%DDQO y 90%DCOT). Es importante resaltar que las concentraciones iniciales de colorante empleadas en este studio fueron mayores que las analizadas por otros investigadores (Oancea y Meltzer, 2013; Gupta et al., 2011; Mordirshahla et al., 2007). En el trabajo realizado por Oancea y Meltzer (2013), utilizaron el proceso foto-Fenton para la degradacion de tartrazina, a una concentracion de 5,5 ppm y un tiempo de operacion 2 horas, obteniendo una mineralizacion del 80%. El grupo de investigacion de Mordirshahla et al., (2007) implementaron el proceso de electrocoagulacion para tratar una solucion de tartrazina de concentracion de 40 ppm, obteniendo como resultado el 90% de remocion de DQO (sin embargo, es de anotar que en este tipo de procesos se generan gran cantidad de lodos).

Por otro lado, Gupta et al., (2011), evaluaron la fotocatalisis heterogenea con Ti[O.sub.2] para la degradacion de tartrazina con concentracion de 32 ppm y obtuvieron una degradacion de la DQO del 93,53%. El unico trabajo que supera la concentracion evaluada en esta investigacion es la efectuada por Thiam et al., (2014). Sin embargo, ellos requirieron implementar un proceso acoplado coagulacion-EFF, donde en la etapa de coagulacion remueven el 60% del COT y en la segunda etapa, proceso EFF, consiguen mineralizar completamente el colorante durante un tiempo de 300 minutos. Esto implica que en la primera etapa de tratamiento estan transfiriendo el contaminante de una fase (liquida) a otra fase (solida, proceso de centrifugacion), con la subsecuente generacion de lodos. Adicionalmente, requieren de mayores tiempos de electrolisis que el efectuado en esta investigacion. Otro aspecto importante para resaltar, es que en ninguna de las investigaciones anteriores se empleo las tecnicas de diseno estadistico de experimentos, herramienta fundamental para este tipo de investigaciones, para la optimizacion de recursos, tiempo, reactivos y las condiciones de operacion del proceso.

CONCLUSIONES

Los procesos de degradacion mediante electro-oxidacion empleando electrodos de DDB se pueden aplicar de manera eficiente para la degradacion de aguas contaminadas con el colorante tartrazina. En particular las siguientes conclusiones se pueden extraer a partir de los resultados de la investigacion: (i) Con base en el analisis estadistico, se concluye que los parametros mas significativos en el proceso EO fueron: la concentracion del colorante, la densidad de corriente y el pH de la solucion. (ii) A partir de los resultados obtenidos (%DC, %DDQO y %DCOT) mediante los procesos EO, EF y EFF se evidencia que estos tratamientos son favorables para la eliminacion de tartrazina presente en el agua; adicional a la ventaja de requerir cortos tiempos de operacion. Al comparar los resultados obtenidos de las cineticas de degradacion de los tres procesos, el proceso de EFF fue el mas eficiente (%DC=100, %DDQO=93 y %DCOT=90), presentando los mayores porcentajes de degradacion. Esto dado que la reaccion de Fenton, catalizada por la radiacion UV, mejora la capacidad de formacion de radicales hidroxilo (oOH), los cuales promueven la oxidacion de contaminantes y degradan la materia organica. En este proceso la produccion de radicales *OH proviene de la accion combinada entre la oxidacion anodica directa en el electrodo DDB y la reaccion foto-Fenton causada por el [H.sub.2][O.sub.2] generado por electrolisis del agua, el reactivo hierro Fe+2 y la radiacion UV.

doi: 10.4067/S0718-07642014000400018

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la Direccion de Investigacion de la Universidad EAFIT, Medellin-Colombia, por el apoyo financiero para la realizacion de esta investigacion.

REFERENCIAS

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Edison GilPavas(1), Izabela Dobrosz-Gomez(2) y Miguel A. Gomez-Garcia(3)

(1) Universidad EAFIT, Departamento de Ingenieria de Procesos. GIPAB: Cr 49 #7 sur 50, Medellin-Colombia (e-mail: egil@eafit.edu.co)

(2) Universidad Nacional de Colombia, Departamento de Fisica y Quimica, Sede Manizales, PRISMA: Cra. 27 64-60, A. A. 127, Manizales-Colombia (e-mail: idobrosz-gomez@unal.edu.co)

(3) Universidad Nacional de Colombia, Departamento de Ingenieria Quimica, Sede Manizales, PRISMA: Cra. 27 64-60, A. A. 127, Manizales-Colombia (e-mail: magomez@unal.edu.co)

Recibido Dic. 16, 2013; Aceptado Feb. 20, 2014; Version final recibida Mar. 6, 2014

Leyenda: Fig. 1 : Diagrama de flujo del sistema de electro-oxidacion a escala de laboratorio

Leyenda: Fig. 2: Diagrama de Pareto. A: concentracion de colorante, B: densidad de corriente y C: pH.

Leyenda: Fig. 3. Superficie de respuesta para el proceso de EO

Leyenda: Fig. 4: Cinetica de degradacion de la tartrazina mediante los procesos: a) EO, b) EF y c) EFF

Leyenda: Fig. 5: Cinetica de degradacion de: a) DQO (a) y b) COT mediante los procesos de EO, EF y EFF
Tabla 1 : Estructura quimica y caracteristicas del colorante tartrazina

Caracteristicas                       Estructura Quimica

Formula Molecular: [C.sub.16]         [formula irreproducible]
[H.sub.9][N.sub.4][Na.sub.3]
[O.sub.9][S.sub.2]
Clasificacion quimica: azo
Numero C.I: 19140
Apariencia: Amarillo
PM: 534,385 g/mol

Parametros                                      Medicion

Concentracion de                       20      30      40      60
tartrazina (mg/L)
DQO (mg/L)                             27      40      59      77
pH                                    6,08    6,09     6,1    6,09
Conductividad ([micron]S/cm)          1060    1060    1060    1060
Densidad (g/mL)                       1,001   1,001   1,001   1,001
Viscosidad (cP)                       1,002   1,002   1,002   1,002

Tabla 2: Variables diseno de experimentos preliminar. * La
conductividad de la solucion se modifico con diferentes
concentraciones de NaCl (0,03 M, 0,019 M, 0,008 M)

Factores codificados X

                                          -1         0         1

Variable                                Nivel 1   Nivel 2   Nivel 3

Concentracion inicial de tartrazina       20        40        60
(Ci, ppm)
pH                                         3        4,5        6
Conductividad* ([micron]S/cm)             945      2038      2927
Densidad de corriente (mA/[cm.sup.2])      5        10        15
Agitacion (rpm)                           240       290       340

Tabla 3: Variables de diseno experimentos Box-Behnken

Factores codificados X

                                          -1         0         1

Variable                                Nivel 1   Nivel 2   Nivel 3

Concentracion inicial de tartrazina       20        40        60
(Ci ppm)
pH                                         3        4,5        6
Densidad de corriente (mA/[cm.sup.2])      5        7,5       10

Tabla 4: Resultados del diseno de experimentos Box-Behnken para el
proceso de EO

Ensayo   Ci(ppm)   i (mA/[cm.sup.2])   pH     %DC    %DDQO

1          40             7,5          4,5   91,42   61,97
2          40             10            6    96,86   77,47
3          40             7,5          4,5   89,62   60,56
4          20             7,5           6    95,91   64,10
5          20             10           4,5   97,61   66,67
6          60             7,5           6    60,61   42,31
7          20             7,5           3    96,81   58,97
8          60              5           4,5   64,11   43,59
9          20              5           4,5   96,31   76,92
10         60             10           4,5   74,88   53,85
11         40              5            6    97,21   67,61
12         60             7,5           3    41,38   56,41
13         40             7,5          4,5   91,77   73,24
14         40              5            3    89,12   71,83
15         40             10            3    79,49   70,42

Tabla 5: Analisis de la varianza ANOVA para el %DDQO para el proceso
de EO

Fuente           Suma de    Grados de   Cuadrado   Razon-F   Valor-P
                cuadrados   libertad     Medio

A:Ci             621,281        1       621,281     34,8      0,002
B:i              8,92531        1       8,92531      0,5     0,5111
C:pH             4,72781        1       4,72781     0,26     0,6287
AA               300,685        1       300,685     16,84    0,0093
AB               105,165        1       105,165     5,89     0,0596
AC               92,4482        1       92,4482     5,18     0,0719
BB               199,92         1        199,92     11,2     0,0204
BC               31,6969        1       31,6969     1,78     0,2401
CC               23,9779        1       23,9779     1,34     0,2988
Error total      89,2581        5       17,8516
Total (corr.)    1521,59       14

[R.sup.2] = 94,13%
[R.sup.2] ajustado = 83,58%
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Author:GilPavas, Edison; Dobrosz-Gomez, Izabela; Gomez-Garcia, Miguel A.
Publication:Informacion Tecnologica
Date:Aug 1, 2014
Words:6397
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