Oxidación electroquímica de tolueno sobre carbón vítreo reticulado (CVR) en medio acuoso-ácido en condiciones de flujo

Abstract

La oxidación electroquímica de tolueno fue evaluada sobre diferentes materiales de carbón, en medio acuoso-ácido, resultando el carbón vítreo reticulado (CVR) el material más catalítico para la oxidación de este compuesto, dicha reacción ocurre a un potencial de oxidación de 1,7 V vs Ag/AgCI. Esta reacción se ve favorecida cuando el medio es fuertemente ácido (pH menores a 2), ya que cuando se incrementa el pH la reacción de oxidación del agua que forman especies oxigenadas que ayudan a oxidar al tolueno se ve desfavorecida y la oxidación del electrodo se hace significativa. En condiciones de flujo y sobre CVR se evaluó el efecto del espesor del electrodo, la densidad de corriente aplicada y la velocidad de flujo de la solución en la oxidación electroquímica de tolueno, este estudio se realizó con la finalidad de maximizar la eficiencia del proceso y reducir el consumo de energía. Los estudios voltamétricos demuestran que el aumento de la velocidad de flujo de la solución, favorece la reacción de oxidación del tolueno sobre la de descomposición del medio, aumentado la densidad de corriente de oxidación, alcanzándose un valor máximo de 10 uA/cm2 para CVR de 3 mm de espesor, esta densidad de corriente permite obtener valores de potenciales entre (l,7- 1,8) V durante toda la electrólisis. Los estudios por cromotografia líquida de alta eficiencia (CLAR) y por cromatografía de gases (CG), cuando la electrólisis se lleva a cabo en condiciones de flujo sobre CVR, permiten identificar como principales productos de la oxidación electroquímica de tolueno: benzaldehído, ácido benzoico e hidroquinona. También se detectó dióxido de carbono pero a alta densidad de corriente (10 uA/cm2), este compuesto es producto de la oxidación del CVR. A alta densidad de corriente sobre CVR de 3 mm de espesor la concentración de los productos de oxidación del tolueno aumentan cuando se incrementa el flujo de la solución. El porcentaje de eficiencia faradaica también se incrementa, alcanzando valores bajos al final de la electrólisis de 25,9%. Por su parte, la eficiencia espacio-tiempo (Eet) aumenta hasta alcanzar valores de 107,07 g/m3h y el consumo de energía específico (Cee) disminuye hasta llegar a valores de 39,49 KJ/m3 ppm, este resultado demuestra que a esta densidad de corriente el incremento del flujo de la solución permite oxidar mayor cantidad de tolueno con un menor gasto energético. Cuando la electrólisis se lleva a cabo sobre CVR de 3 mm de espesor a 1,55 mL/min de flujo de la solución y la densidad de corriente aplicada es disminuida a 3,28 y 0,82 uA/cm2, el benzaldehído y la hidroquinona son los únicos productos cuantificables de la oxidación del tolueno, el dióxido de carbono solo es detectado a niveles de trazas. Esto indica que cuando se disminuye la densidad de corriente aplicada se minimiza la degradación del electrodo de CVR, pero no se logra obtener mineralización completa del tolueno a dióxido de carbono a estas condiciones. Los valores de eficiencia faradaicas hacia la formación de aromáticos oxigenados se mantienen alrededor de 100 % durante los primeros 25 min de electrólisis, para luego disminuir progresivamente hasta llegar a valores de 39,25 % al final del proceso. Estos altos valores se deben a la buena relación flujo de la solución- densidad de corriente aplicada que permite que la velocidad de transferencia electrónica sea similar a la velocidad de transporte de masa. Por su parte la eficiencia espacio-tiempo disminuye durante el transcurso de la electrólisis alcanzando valores que van desde 56,98 hasta 19,85 g/m3h y el consumo de energía específico aumenta durante el transcurso de la electrólisis alcanzando valores que van desde 5,63 hasta 15,87 KJ/m3 ppm (KJ de energía suministrada por m3 de agua tratada por ppm de tolueno oxidado). Para maximizar la eficiencia en corriente y reducir el consumo de energía específico del proceso, se realizó la electrólisis en corriente modulada sobre CVR de 3 mm de espesor a 48 mL/min de flujo de la solución con cinco (5) etapas de control de corriente, este proceso permite aumentar la eficiencia en corriente en un 47,28% Y disminuir el consumo de energía específico en un 18,42% al final del proceso, en comparación con la electrólisis a corriente constante. El estudio de la degradación electroquímica del electrodo de CVR de diferente espesor, se realizó determinando el porcentaje de la pérdida de masa en carbón (C) durante la electrólisis, evaluándose el mismo a diferentes densidades de corriente aplicadas, tiempos y flujos de solución. A alta densidad de corriente (10 uA/cm2) la degradación electroquímica del CVR de 3 mm de espesor alcanza valores entre 0,36 y 0,43 % de pérdida de masa en carbón para un rango de flujo de solución entre 1,55 y 48 mL/min. En el caso del CVR de 5 mm de espesor este presenta una mayor degradación, ya que el porcentaje de pérdida de masa en carbón oscila entre 0,45 y 0,57 %. La disminución de la densidad de corriente aplicada hasta valores de 0,82 uA/cm2 minimiza significativamente la degradación del CVR. Finalmente el coeficiente de transporte de masa (Km) del sistema empleado se determinó mediante una serie de medidas de corriente límite en la reacción de oxidación del K4Fe(CN)6. Los resultados muestran que Km se incrementa cuando se incrementa el flujo de la solución alcanzando un valor máximo de 6,95 x 10-5 cm/s para un flujo de solución de 48 mL/min.