Síntesis electroquímica de ferratos y su aplicación en la remediación de aguas contaminadas con hidrocarburos de petróleo

Abstract

Los recursos hídricos son vitales para la supervivencia de toda clase de vida que habita nuestro planeta, a pesar de ello, la humanidad aún no es tan consciente de ello: cifras de la UNESCO indican que el 80% de toda el agua residual y municipal que generamos van a parar al medioambiente contaminando gravemente estos recursos. En el Perú, la contaminación del agua es un problema grave, el vertimiento de relaves y derrames de petróleo ocurren cada vez con mayor frecuencia contaminando ríos, lagunas y mares, todo este problema se agrava con la inacción de las autoridades y la inexistencia de mecanismos tecnológicos de respuesta ante estos sucesos. Por esta razón, es de gran importancia proteger nuestros recursos hídricos y de suma urgencia recuperar los lugares impactados, considerando que en nuestro país no se cuenta con mecanismos de remediaciones realmente eficaces para la limpieza y recuperación de las aguas contaminadas. En el presente trabajo se plantea una alternativa de remediación de aguas contaminadas con hidrocarburos de petróleo, específicamente enfocada en la eliminación del benceno, tolueno y xileno (BTX), hidrocarburos aromáticos altamente tóxicos y peligrosos debido a su alta movilidad acuática y su gran capacidad de forman emulsiones en medios acuáticos. La alternativa que se presenta consiste en el uso de un potente agente oxidante, inocuo para el medio ambiente, el ion ferrato FeO4-2: Fe (VI), el cual tiene la capacidad de oxidar de manera eficiente contaminantes altamente persistentes como fármacos, pesticidas, hidrocarburos, bacterias, etc. Así mismo al reducirse posee propiedades coagulantes que le permiten remover metales pesados. Este oxidante fue sintetizado electroquímicamente utilizando como electrodo de trabajo el acero de soldadura (AL). Este acero fue seleccionado a partir de un grupo de materiales industriales de acero de distinta naturaleza por presentar la mayor actividad electroquímica. Esta actividad electroquímica fue determinada a partir de la medición de la densidad de corriente del pico catódico de reducción de ferratos, asociada a la cantidad de iones ferratos producidos y a el cálculo de la energía de activación en la región de transpasivación, asociada al grado de facilidad con el que se lleva a cabo el proceso de migración de iones que favorece en gran medida la síntesis de ferratos. La presencia y concentración de importantes intermediarios en la superficie de síntesis como goethita y magnetita y así como el contenido de carbono y silicio presentes en el bulk y en la capa de pasivación del acero de soldadura (AL), respaldaron la alta actividad electroquímica encontrada. Una vez seleccionado el acero de soldadura como electrodo de trabajo, se optimizaron las variables de densidad de corriente y concentración del medio alcalino que permitieron obtener una eficiencia de corriente máxima del 40%. Se midió el tiempo de electrólisis con el cual se obtuvo la máxima concentración de ferratos, este tiempo fue aplicado para la síntesis in situ de ferratos para la inmediata dosificación sobre muestras de aguas contaminadas con benceno, tolueno y xileno (BTX). Durante la aplicación de ferratos in situ para la remoción de los aromáticos BTX se evaluó 5 niveles de dosificación del oxidante Fe (VI)/ Contaminante (BTX). Se removió el 99% de benceno, tolueno y xileno utilizando el nivel de dosificación Oxidante Fe (VI) / Contaminante (BTX) de 30 en un tiempo máximo de 60 min. Asimismo, se logró la máxima remoción de 99% de Xileno y 95 % de tolueno en un buffer básico (NaHCO3 y NaOH) de pH 10 a los 40 y 50 minutos de reacción respectivamente. A pesar de tratarse de una cinética de segundo grado, las altas correlaciones muestran que este proceso de remediación satisface una cinética de seudo primer orden donde el Fe VI) actúa como catalizador. Finalmente, se midió los porcentajes de movilidad acuática para el benceno, tolueno y xileno los cuales fueron de 22.6 %, 18.3% y 9% respectivamente.

Water resources are vital for the survival of all kinds of life that inhabits our planet, despite this, humanity is still not so aware of it: UNESCO figures indicate that 80% of all residual and municipal water that we generate end up in the environment, seriously contaminating these resources. In Peru, water pollution is a serious problem, the dumping of tailings and oil spills occur more and more frequently, polluting rivers, lagoons and seas, all this problem is aggravated by the inaction of the authorities and the non-existence of mechanisms technological response to these events. For this reason, it is of great importance to protect our water resources and of the utmost urgency to recover the impacted places, considering that in our country there are no truly effective remediation mechanisms for cleaning and recovering contaminated water. In the present work, an alternative for the remediation of water contaminated with petroleum hydrocarbons is proposed, specifically focused on the elimination of benzene, toluene and xylene (BTX), highly toxic and dangerous aromatic hydrocarbons due to their high aquatic mobility and their great capacity for form emulsions in aquatic environments. The alternative that is presented consists in the use of a powerful oxidizing agent, harmless to the environment, the ferrate ion FeO4-2: Fe (VI). This oxidant was electrochemically synthesized using welding steel (AL) as the working electrode. This steel was selected from a group of industrial steel materials of different natures for presenting the highest electrochemical activity. This electrochemical activity was determined from the measurement of the current density of the ferrate reduction cathodic peak, associated with the amount of ferrate ions produced and the calculation of the activation energy in the transpassivation region, associated with the degree of ease. with which the ion migration process is carried out, which greatly favors the synthesis of ferrates. The presence and concentration of important intermediates on the synthesis surface such as goethite and magnetite, as well as the carbon and silicon content present in the bulk and in the passivation layer of the weld steel (AL), supported the high electrochemical activity found. Once the welding steel was selected as the working electrode, the variables of current density and concentration of the alkaline medium were optimized, which allowed obtaining a maximum current efficiency of 40%. The electrolysis time with which the maximum concentration of ferrates was obtained was measured, this time was applied for the in situ synthesis of ferrates for immediate dosing on water samples contaminated with benzene, toluene and xylene (BTX). During the application of ferrates in situ for the removal of BTX aromatics, 5 dosage levels of the oxidant Fe (VI)/ Contaminant (BTX) were evaluated. 99% of benzene, toluene and xylene were removed using the Fe Oxidant (VI) / Contaminant (BTX) dosage level of 30 in a maximum time of 60 min. Likewise, the maximum removal of 99% of Xylene and 95% of toluene was achieved in a basic buffer (NaHCO3 and NaOH) of pH 10 at 40 and 50 minutes of reaction, respectively. Despite being a second-order kinetic, the high correlations show that this remediation process satisfies a pseudo-first-order kinetic where Fe (VI) acts as a catalyst. Finally, the percentages of aquatic mobility for benzene, toluene and xylene were measured, which were 22.6%, 18.3% and 9% respectively.