PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA LA ELIMINACIÓN DE NITRATOS DEL AGUA POR REDUCCIÓN ELECTROLÍTICA A NITRÓGENO GAS.

Procedimiento y dispositivo para la eliminación de nitratos del agua por reducción electrolítica a Nitrógeno gas.

Se describe un dispositivo y procedimiento electroquímico para convertir nitratos disueltos en agua en nitrógeno gas. El procedimiento opera reduciendo los nitratos en el cátodo mayoritariamente a N2 y minoritariamente a amonio. Los cloruros naturales del agua son oxidados a hipocloroso en el ánodo; la reacción de este con el amonio producido en competencia, rinde nitrógeno gas.

El procedimiento utiliza condiciones específicas para promover la reducción casi selectiva de nitrato a Nitrógeno gas y un electrodo de superficie determinada por la conductividad del agua, para garantizar el mínimo consumo eléctrico.

Sector de la técnica La invención se encuadra en el sector de la remediación medioambiental, el tratamiento y potabilización de aguas, la regeneración de aguas en acuicultura y la Ecotecnología en general.

La invención contempla como objeto la eliminación del agua de compuestos nitrogenados oxidados y en concreto de nitratos presentes en el agua. La invención, transforma específicamente los nitratos disueltos en agua en nitrógeno gas sanitaria y medioambientalmente inocuo. Específicamente, la invención se aplicará a los tratamientos de agua para eliminar nitratos y por ende, a procesos de tratamiento de agua para eliminación de excesos de nitratos mediante su conversión en nitrógeno gas.

En suma, a la potabilización, a la depuración de aguas residuales para vertido a cauce publico, la remediación de acuíferos, lagos y embalses contaminados, a la reutilización de las aguas urbanas y de las empleadas en acuicultura y a la destrucción de los residuos de tratamiento (salmueras de nitrato) de las plantas de desnitrificación por membrana que operan por ósmosis, electrodiálisis u otros medios.

Estado de la técnica

La legislación europea permite un máximo de 50 ppm de nitrato en agua de uso de boca. Existen al presente, diversos procedimientos conocidos para la eliminación del exceso de nitratos disueltos en agua: destilación, intercambio iónico, ósmosis inversa y numerosos procesos biológicos en los que se eliminan los nitratos mediante microorganismos cultivados en al agua a tratar. Empero, ninguno de los procedimientos es, en realidad, totalmente satisfactorio y eficiente y la eliminación económica de nitratos del agua, a gran escala, constituye aún un problema solo parcialmente resuelto.

Una alternativa es la reducción química del nitrato a nitrógeno elemental

Sin embargo, la reducción química del nitrato no transcurre de forma unívoca; a menudo el producto de reducción no es el nitrógeno gas elemental sino que conjunta o alternativamente, se produce un producto nitrogenado aún mas tóxico que el nitrato: el amoniaco, NH3, según:

El amoniaco es un producto extremadamente tóxico e indeseable en agua, por lo que si la reducción química del nitrato no transcurre de forma unívoca hasta nitrógeno gas, inocuo, la reducción química de los nitratos agrava en realidad el problema de la toxicidad del agua derivada de la presencia de aquellos. La toxicidad del producto de reducción, el amoniaco, es mucho mayor que la del producto a eliminar: el ion nitrato. Este problema ocurre asimismo cuando se pretende sustituir la reducción química del nitrato a nitrógeno gas por reducción electroquímica: 5 se genera amonio en competencia.

La invención para la que se solicita protección legal, opera mediante la reducción electrolítica, catódica, del ion nitrato, en condiciones específicas que permiten que el producto mayoritario sea el nitrógeno gas. Se obtienen también y simultáneamente, pequeñas cantidades de amonio como inevitable producto de reducción en competencia. Este amonio es oxidado a nitrógeno gas, en el mismo proceso, mediante dos vías: 1. vía cloramina, mediante hipoclorito generado en el ánodo a partir del propio contenido en cloruros del agua a tratar.

2. por oxidación anódica del ion amonio a nitrógeno gas. 15 En suma, el resultado del proceso es la total conversión de los nitratos en nitrógeno gas, incluso el amonio generado en competencia.

Que los nitratos pueden ser reducidos electrolíticamente a amonio y aún a nitrógeno gas, por reducción catódica, es arte conocido. Por ejemplo, Miao Li y otros1, en 2010, utilizan un cátodo de hierro y un ánodo de titanio dopado con óxido de iridio y platino para obtener reducciones medias de nitrat02 de 0, 008 a 0, 016 min-1 a densidades de corriente entre 10 y 60 mA /cm2 • Barada Prasanna Dash y Sanjeev Chaudhari 3 investigaron en 2005 el uso de diversos materiales en electrodos para maximizar velocidad y minimizar consumos en la reducción de nitratos a nitrógeno gas en aguas de pozo. Concluyen que el titanio es el material mas selectivo para la conversión de nitrato en nitrógeno gas, mientras que el hierro y el aluminio son proclives a rendir amonio como producto principal. La constante de reducción media para densidades de corriente del orden de 50 mA /cm2, medida es, a pH 9, del orden de 0, 3 h-1 es decir 0, 005 min-1 y muy similar

para el aluminio y para el titanio; en el caso del titanio, empero, el producto principal es nitrógeno gas y no amoníaco.

H. Cheng, K. Scott y P.A. Christensen4, describen un dispositivo para la reducción de nitratos en aguas residuales utilizando cómo electrodo una micro malla de Paladio / Rodio 1, 5 frente a titanio.

1. Katsounaros, D. Ipsakis, C. Polatides, y G. Kyriacou5, describen en 2006 la reducción de nitrato a nitrógeno gas mediante cátodo de estaño a alto potencial catódico. A 2, 9 voltios, la constante de primer orden de reducción del nitrato observada es de 0, 10 min-1, con un rendimiento en nitrógeno gas del orden del 94%. En 2005, previamente, algunos de los 1 Miao U, Chuanping Feng, Zhenya Zhang, Shengjiong Yang, Norio Sugiura;

Treatment of nitrate contaminated water using an electrochemical method;

Bioresource Technology 101. (2010) 6553-6557 2 la constante descrita corresponde a la ecuación cinética: d[N03-]j dt = K [N03-]; K = (d[N03-]/ dt) j[N03-] en min-1; In (CjCa) = K x t ; K = In (CjCo) /t en min-1. 3 Barada Prasanna Dash, Sanjeev Chaudhari; Water research. 2005 Oct; 39 (17) : 4065-72

H. CHENG*, K. SCOTT and P.A. CHRISTENSEN; Application of a solid polymer

electrolyte reactor to remove nitrate ions from waste wa ter; Journal of Applied

Electrochemistr y (2005) 35:551-560

1. Katsounaros, D. Ipsakis, C. Polatides, G. Kyriacou; Efficient electrochemical reduction of nitrate to nitrogen on tin cathode at ver y high cathodic potentials;

Electrochimica Acta 52 (2006) 1329-1338

autores, C. Polatides, M. Dortsiou, y G. Kyriacou6 habían descrito la reducción electrolítica de nitratos mediante ondas de potencial cuadradas, sinusoidales y triangulares sobre electrodos de cobre (60%) , zinc (40%) .

En el arte industrial, la USP 6, 083, 377, describe y reivindica un dispositivo de remediación medioambiental in situ de aguas contaminadas por nitratos con espacios catódico y anódico separados, en donde se modula el potencial de los electrodos de suerte que en los espacios inmediatos a ánodo y cátodo, el potencial redox de la solución sea el que corresponde, al pH de trabajo -al nitrógeno gas cómo producto estable en el diagrama de Pourbaix de formas de nitrógeno acuoso. Reivindica el uso de ánodos de hierro o magnesio.

La WO 99/58, 452, reivindica el uso de electrodos de fibra de carbono recubierta de metales preciosos para la conversión electrolítica del nitrato en nitrógeno gas.

La JP 2000, 117259 Y la US 2003, 168, 411, reivindican la reducción electrolítica como procedimiento de tratamiento de aguas residuales que contengan simultáneamente nitrato y fósforo. Usan un ánodo de carbón o de metal precioso. En tal procedimiento se adiciona hierro en forma de sal y cloruro cálcico para promover la eliminación de los contaminantes.

La patente China, CN 101, 746, 871 elimina nitratos para potabilizar el agua en entre una y cinco horas a densidades de corriente de entre 10 y 50 mA/cm2, en ánodo de Pt, Ir, Ru o Plomo. La japonesa, JP 2007, 105, 673, propone para tratar aguas residuales contaminadas por nitratos, la conversión de estos en nitrógeno gas vía la reducción electrolítica completa del nitrato a amonio y la posterior oxidación de este a nitrógeno gas mediante hipocloroso asimismo generado electrolíticamente en el ánodo desde cloruro.

Así pues, a nuestro conocimiento, el arte para el que se solicita protección legal, que a continuación se caracteriza, no ha sido ni descrito, ni utilizado, ni reivindicado. El nuevo arte que se reivindica se caracteriza por minimizar el consumo eléctrico mediante dos estrategias:

-primero favoreciendo mediante la operación a determinado potencial efectivo para reacciones electroquímicas, EO, la reducción de nitrato directamente a nitrógeno gas, obviando así posteriores reoxidaciones anódicas de nitrito y reducciones reiteradas del nitrato en el cátodo. Ello se consigue mediante la aplicación de las oportunas condiciones de potencial eléctrico efectivo, EO, para que el producto de reducción del nitrato sea nitrógeno mayoritariamente y solo algo de amonio en competencia.

-utilizando un especial diseño de electrodo, adaptado a las características del agua a tratar, que permite operar a voltajes mínimos quiere... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento electroquímico para eliminar nitratos del agua en el que el agua a tratar se somete a un proceso electroquímico de reducción caracterizado porque el potencial efectivo aplicado (P) es de 2, 2 a 2, 3 voltios.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la densidad de corriente catódica es de entre 2 y 5 mAlcm2

-Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2. caracterizado porque la densidad de corriente anódica es de entre 2 y 5 mA/cm2

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la resistencia óhmica es igualo inferior a 0, 7 voltios.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material utilizado en el cátodo se selecciona entre hierro vulgar. titanio. acero inoxidable y aluminio.

6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material utilizado en el ánodo es titanio-rutenio, o titanio 7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la distancia entre el ánodo y el cátodo es entre 2 y 0, 2 cm

8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se ejecuta en régimen continuo o de batch.

9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se emplea una corriente de gas en circuito abierto o cerrado para eliminar por arrastre la deposición de burbujas en los electrodos.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque el gas es aire, nitrógeno. oxígeno o argón.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque la corriente de gas se opera en circuito cerrado cuando el gas es nitrógeno o argón.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque se emplea un trapp de sulfito 13. Uso del procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 para la potabilización. a la depuración de aguas residuales para vertido a cauce público, la remediación de acuíferos, lagos y embalses contaminados, a la reutilización de las aguas urbanas y de las empleadas en acuicultura y a la destrucción de los residuos de tratamiento (salmueras de nitrato) de las plantas de desnitrificación por membrana que operan por ósmosis, electrodiálisis u otros medios.

14. Dispositivo para llevar a cabo el proced imiento de las reivind icaciones 1 a 12, caracterizado porque comprende:

a) ul') contenedor fabricado en polipropileno; b) una fuente de corriente continua; e) un electrodo formado por pares enfrentados de placas anódicas y catódicas; d) una bomba de circulación que sirve de agitación.

15. Dispositivo según la reivindicación 14, caracterizado porque comprende un módulo de control para monitorizar el pH. el potencial redox, la temperatura. la concentración de oxígeno, la concentración de cloro libre y la concentración de nitrato.

16. Dispositivo según la reivindicación 14 ó 15, caracterizado porque comprende un filtro de partículas.

17. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16, caracterizado porque comprende un trapp de sulfito.

18. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17, caracterizado porque tiene una superficie catódica de 20 m2 por metro cúbico de reactor.