ES2308784T3

ES2308784T3 - Tratamiento electroquimico de agua contaminada con compuestos nitrogenados.

Info

Publication number: ES2308784T3
Application number: ES97903169T
Authority: ES
Inventors: Mei Lin; Gene Sidney Shelp; Ward Chesworth
Original assignee: Enpar Technologies Inc
Current assignee: Enpar Technologies Inc
Priority date: 1996-02-22
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 2008-12-01
Anticipated expiration: 2017-02-21
Also published as: GB9603741D0; WO1997030941A1; AU1761997A; ATE396151T1; EP0881989A1; DE69738707D1; US6083377A; EP0881989B1

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE AL TRATAMIENTO DE AGUAS CONTAMINADAS CON COMPUESTOS NITROGENADOS, COMO NITRATO, AMONIO, ETC., MEDIANTE TRANSFORMACION ELECTROQUIMICA DEL CONTAMINANTE EN NITROGENO GASEOSO. SE INTRODUCEN LOS ELECTRODOS EN EL AGUA CONTAMINADA PARA FORMAR UNA CELULA, FIJANDOSE EL VOLTAJE DE UNO DE LOS ELECTRODOS EN UN VALOR EH, AL CUAL EL NITROGENO GASEOSO SE ENCUENTRA TERMODINAMICAMENTE FAVORECIDO. LA CELULA PUEDE SER ELECTROQUIMICA O GALVANICA.

Description

Tratamiento electroquímico de agua contaminada con compuestos nitrogenados.

Esta invención se refiere al tratamiento in situ de aguas subterráneas polutas o contaminadas por tratamiento electroquímico (que incluye tratamiento tanto galvánico como electrolítico). La invención está pensada para ser aplicada a aguas contaminadas por compuestos nitrogenados disueltos, que son especies de nitrato o de amonio, y se define como se expone en la reivindicación 1.

En casos convencionales en los que se ha usado la electrólisis para el tratamiento de agua contaminada, las reacciones que se han utilizado han sido aquellas que, por ejemplo, retiran los metales de la disolución por deposición catódica.

Se han realizado trabajos sobre el uso de la electrólisis para el tratamiento de efluentes procedentes de establecimientos de fabricación, en los que el agua está contaminada con un contaminante específico. Pero esos sistemas eran especiales puesto que el agua efluente ya estaba contenida, y la investigación estaba dirigida a limpiar o recuperar contaminantes específicos, a concentraciones conocidas, y en un sistema que estaba diseñado para tratar el contaminante una vez construida la factoría.

El amonio (NH_{4}^{+}) en aguas residuales se puede descomponer mediante la acción bacteriana. Durante muchos años se ha tenido mucha consideración y se ha aplicado mucho esfuerzo en industrializar la reacción de descomposición del amonio a gran escala, en el contexto del tratamiento de aguas residuales municipales. Generalmente, las bacterias promueven la oxidación del amonio a nitrato; a continuación otras bacterias promueven la desnitrificación o reducción del nitrato a nitrógeno gaseoso. La reacción se ha industrializado proporcionando un entorno en el que las bacterias pueden llevar a cabo la oxidación y reducción.

Ahora se discutirán algunas limitaciones de este procedimiento convencional. La oxidación biológica del amonio a nitrato y la posterior reducción del nitrato a nitrógeno gaseoso tiene efectos secundarios no deseables. Se forman otros compuestos nitrogenados, tales como el óxido nítrico (NO), el óxido nitroso (N_{2}O), y el dióxido de nitrógeno (NO_{2}) que se consideran que, bien son directamente tóxicos para seres humanos y otros animales, o bien son perjudiciales para la capa de ozono u otros aspecto ambientales.

Un problema es que la conversión de amonio a nitrógeno, a través del nitrato, realizada microbiológicamente, como en los sistemas convencionales, dista mucho de ser completa. Se pueden liberar cantidades significativas de óxidos de nitrógeno, en forma de gases, durante las reacciones, además del nitrógeno gaseoso. Cuando, como en los sistemas convencionales, la oxidación de amonio/amoníaco se produce biológicamente (nitrificación), la ruta de reacción se puede describir como:

NH_{4}{}^{+}/NH_{3} \rightarrow \ NO_{2}- \rightarrow \ NO \ (N_{2}O) \rightarrow \ NO_{3}-

por lo que los compuestos gaseosos intermedios perjudiciales pueden escapar a la atmósfera.

Además, el nitrato producido por la descomposición del amonio no se puede dejar en el agua. Y el propio nitrato, por ejemplo, procedente de escorrentías agrícolas, puede estar presente como contaminante nitrogenado per se, en aguas subterráneas.

Cuando la reducción del nitrato se produce biológicamente (desnitrificación), la ruta de reacción se puede describir como:

NO_{3}- \rightarrow \ NO_{2} \rightarrow \ NO_{x} \rightarrow \ N_{2}O \rightarrow \ N_{2}

De nuevo, los compuestos gaseosos intermedios pueden escapar.

Otro punto que se debe considerar es que la eficacia de las reacciones de nitrificación y desnitrificación bioquímicas convencionales se ven afectadas por el frío ambiental, por lo que se encuentra que los gases liberados a la atmósfera en invierno contienen una proporción incluso mayor de gases de N_{2}O y NO_{x}. Esto es una desventaja notable de los sistemas convencionales. En algunos casos, además, la temperatura puede ser tan baja que las reacciones biológicas sustancialmente no tengan lugar, y la descomposición de los contaminantes tiene que esperar a un tiempo más
cálido.

Se reconoce que las reacciones electroquímicas como las descritas en el presente documento tienen el potencial para transcurrir a temperaturas inferiores que los procesos biológicos convencionales. Por tanto pueden ser adecuados para aplicaciones en climas fríos, en los que la remediación biológica es ineficaz durante la mayor parte del
año.

Características generales de la invención

En la invención se reconoce que, para eliminar la contaminación por nitrógeno, los contaminantes nitrogenados se pueden transformar directamente, mediante procesos electroquímicos industrializados, en nitrógeno gaseoso. (El nitrógeno gaseoso naturalmente ya forma 4/5 partes de la atmósfera, y su liberación no es perjudicial).

También se reconoce que se pueden usar reacciones electroquímicas inorgánicas para llevar a cabo ambos tipos de reacciones de descomposición, es decir, la oxidación de, por ejemplo, amonio, y la reducción de, por ejemplo, nitrato, ambos directamente a nitrógeno gaseoso, por lo que se elimina o se reduce la producción y liberación de los compuestos gaseosos intermedios perjudiciales.

Se ha propuesto el tratamiento electroquímico de agua que contenga contaminantes nitrogenados (Lin & Wu, 1995 Jrnl. Env. Sci. & Health, A30, 1445-1456). Lo que no está presente en la técnica anterior es el reconocimiento de que los contaminantes nitrogenados se pueden transformar directamente, mediante procesos electroquímicos que se pueden llevar a la práctica comercialmente, en nitrógeno gaseoso, y por tanto se pueden eliminar del sistema.

En la valoración de si una reacción particular procederá electrolíticamente, la reacción se puede comparar con la ecuación de equilibrio de Nernst:

E = E_{0} -(RT/nF)log_{e} \ (Q)

en la que E es el voltaje de la celda, E_{0} es el voltaje de la celda de una celda estándar (calculado, u obtenido de tablas), Q es el cociente de concentración, que es la relación del productorio de las concentraciones de todos los productos de reacción, dividido por el productorio de las concentraciones de todos los reactivos. Por ejemplo, a 25ºC, el término (RT/nF)log_{e} (Q) se puede evaluar como (0,0592/n)log_{10} (Q).

Un aspecto de la presente invención recae en la determinación, a partir de una valoración de la ecuación de Nernst, de si la electrólisis será eficaz en una situación particular, para provocar la descomposición de los contaminantes, y en caso afirmativo, cómo y en qué condiciones de tratamiento.

Las relaciones de Nernst para muchas transformaciones y condiciones diferentes se pueden representar sobre un diagrama de campo de predominio, o diagrama de fases, o diagrama de Pourbaix, es decir, un diagrama de fases en disolución de Eh-pH para nitrógeno-oxígeno-hidrógeno. Dicho diagrama está publicado y disponible en un libro de texto de química, puesto que se refiere a compuestos nitrogenados acuosos. Los conjuntos de relaciones de Nernst apropiadas para los compuestos nitrogenados también están disponibles en forma tabular, de nuevo en libros de texto, y también se pueden usar.

En la puesta en práctica de una forma preferida de la invención, el diseñador del sistema puede usar la relación de Nernst en forma de diagrama de fases, por ejemplo. El diseñador introduce en el diagrama de fases el Eh y el pH que se miden en el sistema contaminado. A continuación obtiene a partir del diagrama el voltaje V-Ngas al que, a un pH medido, la forma de nitrógeno predominante es nitrógeno gaseoso. Se hace un cálculo en cuanto a la diferencia de voltaje entre el V-Ngas y el voltaje V-Eh tal como se mide en realidad.

A continuación el diseñador proporciona una celda electroquímica, que tiene dos electrodos (es decir, un ánodo y un cátodo). Si el contaminante nitrogenado es uno (por ejemplo, nitrato disuelto) que requiera la adición de electrones para transformarse en nitrógeno gaseoso, entonces puede obtener los electrones que necesita del cátodo, y el diseñador debe disponer la celda de manera que el agua fluya por el cátodo. La celda debe estar dispuesta en cuanto a su tamaño, y a la velocidad del movimiento del agua a través de ella, de manera que el tiempo de residencia del agua cerca del cátodo sea suficientemente prolongado para que la reacción de transformación se complete sustancialmente.

De manera similar, si el contaminante nitrogenado es uno (por ejemplo, amonio disuelto), que requiere la extracción de electrones para transformarse en nitrógeno gaseoso, entonces se puede desprender de los electrones en exceso en el ánodo, y el diseñador debe disponer la celda de manera que el agua fluya por el ánodo. De nuevo, la celda debe estar dispuesta en cuanto a su tamaño, y a la velocidad del movimiento del agua a través de ella, de manera que el tiempo de residencia del agua cerca del ánodo sea suficientemente prolongado para que la reacción de transformación se complete sustancialmente.

En cualquier caso, el ingeniero debe ajustar el voltaje V-celda que se aplicará entre los electrodos a un valor al que el voltaje Eh medido en las proximidades de uno de los electrodos, después de que se haya iniciado la reacción electroquímica, caiga a un nivel de voltaje, V-Ngas, al cual predomina el nitrógeno gaseoso. Es decir, el ingeniero ajusta la energía eléctrica disponible en los electrodos en el sentido de que el voltaje Eh cerca de uno de los electrodos cambie del V-Eh medido inicialmente a un voltaje comprendido en el intervalo de voltajes Eh en el que predomina el nitrógeno gaseoso.

En cualquier caso, cabe señalar que el otro electrodo básicamente no tiene ninguna función en la reacción de transformación. (Por otra parte, como se explicará más adelante, algunas veces tanto el ánodo como el cátodo de la misma celda pueden ser instrumentales en la liberación de nitrógeno gaseoso).

Cabe señalar que en los casos en los que prevalecen condiciones muy reductoras, el voltaje Eh, V-Eh, como se mide, puede ser negativo.

A modo de ejemplo, en un caso particular, una masa de agua contaminada con amonio disuelto se puede identificar por tener un voltaje Eh de, digamos, -0,53 voltios. El pH de la masa se puede medir a, digamos, 4,5. Dado que el pH no va a cambiar, el diseñador traza el diagrama, a un pH constante, hasta que llega a un voltaje Eh al que la fase predominante del nitrógeno es nitrógeno gaseoso. Se encuentra que el nitrógeno gaseoso predomina en un intervalo de voltajes Eh a ese pH, es decir, desde aproximadamente 0,0 voltios a aproximadamente +0,3 voltios. Dado ese intervalo, el diseñador preferentemente debe aspirar a tener un voltaje Eh de +0,15 voltios.

(Se asume que el pH del agua ya viene dado, y que no se va a hacer nada para cambiar el pH. No obstante, algunas veces, económicamente es posible cambiar el pH, y en ese caso esos cambios se pueden tener en cuenta en los cálculos - pero es un beneficio del sistema tal como se describe en el presente documento que normalmente el pH se puede dejar a cualquier valor que se obtenga naturalmente, y sólo es necesario manipular el voltaje Eh).

En el caso a modo de ejemplo de agua contaminada por amonio a un pH de 4,5, el diseñador debe aspirar a ajustar la celda de manera que el voltaje Eh del agua en la región del ánodo de la celda sea de +0,15 voltios aproximadamente. A continuación el ingeniero ajusta los parámetros electroquímicos (incluyendo el voltaje aplicado entre los electrodos) para producir el voltaje Eh de V-Ngas necesario cerca del ánodo - que es un voltaje entre los límites V-Ngas superior (0,3 voltios) y V-Ngas inferior (0,0 voltios). Preferentemente, la celda está diseñada para proporcionar un voltaje Eh en las proximidades del ánodo de +0,15 voltios.

Para conseguir esto, el voltaje Eh cerca del cátodo podría ser incluso más negativo, es decir, alejardp de promover la fase gaseosa del nitrógeno. Pero eso no importa: cuando el agua pasa cerca del ánodo, el nitrógeno gaseoso se desprenderá en forma de burbujas, y cuando el agua pasa por el cátodo, el nitrógeno gaseoso no se desprenderá en forma de burbujas. Sólo uno de los electrodos -en este caso el ánodo- es eficaz.

Preferentemente, se debe disponer de manera que el agua se mueva a través de la celda (o celdas) de tal forma que todo el agua contaminada se fuerce a estar cerca del ánodo durante un tiempo de residencia adecuado.

Se entenderá que cuando el contaminante es nitrato, el cátodo se convierte entonces en el electrodo eficaz para transformar el nitrógeno en nitrógeno gaseoso. En un caso a modo de ejemplo, el Eh se debe medir a +1,1 voltios, y el pH a 9,0. Ahora, habiendo llevado a cabo los cálculos de Nernst (o habiendo revisado el diagrama de fases) el ingeniero sabe cómo ajustar las características electroquímicas de la celda de manera que el voltaje Eh medido en las proximidades del cátodo de la celda esté a -0,1 voltios aproximadamente, puesto que es un voltaje en la mitad del intervalo al que, a un pH de 9,0, el nitrógeno gaseoso es la fase predominante.

El cátodo y el ánodo de la celda pueden ser físicamente iguales. De hecho, la polaridad de la celda se puede invertir periódica o cíclicamente. Esto puede ser útil para asegurar que toda el agua queda tratada, y además, el cambio de los electrodos puede servir para evitar la formación de un recubrimiento sobre el ánodo, que a veces es un problema.

En algunos casos, la ecuación de Nernst indica que la transformación a la fase de nitrógeno gaseoso puede tener lugar galvánicamente, es decir, sin la aportación de energía eléctrica desde una fuente externa, si la celda está construida apropiadamente. En ese caso, los electrodos serán de materiales diferentes, siendo el ánodo el material más activo en la serie electroquímica.

Cabe señalar que el cambio de fase entre la fase de nitrógeno gaseoso y la fase contaminante es gradual, no súbito. Así, en general, se sigue produciendo la liberación de nitrógeno, aunque a un máximo a un Eh concreto (para un pH dado), en la mayoría de los casos, en un intervalo de Eh bastante amplio. Naturalmente, el experto sabe que no es posible medir voltajes Eh de aguas contaminadas hasta un grado de consistencia y precisión elevados, ni es posible ajustar el voltaje de la celda todo lo que se precisa.

No obstante, en el presente documento se reconoce que los márgenes del voltaje Eh entre los que tendrá lugar una liberación eficaz de nitrógeno gaseoso son suficientemente amplios para que se puedan acomodar las imprecisiones de la medición y ajuste, que son inevitables en la práctica.

El diseñador debe vigilar que haya disponible suficiente energía eléctrica en la celda para mantener el voltaje Eh en el agua contaminada al nivel deseado, es decir, entre los límites calculados/indicados. La resistencia del agua no se debe esperar que permanezca constante a medida que tiene lugar el tratamiento, y de hecho, generalmente, se puede esperar que la resistencia de la celda se incremente a medida que se elimina el contaminante. Así, para mantener el voltaje Eh necesario en el agua se debe pasar más energía a través de la celda. Naturalmente, puede llegar un punto al que ya no sea práctico mantener el voltaje entre los electrodos: pero en el presente documento se reconoce que, en general, las aguas que están contaminadas con contaminantes nitrogenados tienen una conductividad tal que se pueden mantener los voltajes necesarios en los electrodos suministrando energía eléctrica de manera económica.

En muchos casos, es económico proporcionar un control automático de los voltajes, que puede ser útil en el caso en que el Eh, el pH, la concentración de los contaminantes, etc., pudieran estar sometidos a variación durante un período de tiempo.

Cabe señalar que los carbonatos, sulfatos, cloruros, etc. y similares pueden estar todos presentes en el agua además de los contaminantes nitrogenados, y todas estas sustancias pueden tener un efecto sobre el voltaje Eh. No obstante, se reconoce que la única medición del Eh tiene en cuenta todas las sustancias. Por el contrario, será difícil determinar cuál será el voltaje Eh mediante cálculos, teniendo en cuenta las diversas sustancias en sus diversas concentraciones. Pero, en la mayoría de los casos, una única medición del valor real del Eh del agua es todo lo que se necesita: el voltaje que se debe obtener para transformar el nitrógeno en nitrógeno gaseoso también se puede determinar fácilmente, por ejemplo, por inspección del diagrama de fases del nitrógeno. Esto hace que el sistema sea sencillo de automatizar: incluso aunque la composición de los contaminantes pueda cambiar, a medida que pasa el agua, y como resultado del tratamiento, todo lo que se debe hacer para mantener la eficacia es revisar periódicamente el Eh y el pH, y ajustar el voltaje de la celda en consecuencia.

Descripción detallada de las formas de realización preferidas

A modo de explicación detallada de la invención, ahora se describirán formas de realización a modo de ejemplo de la invención con referencia a los dibujos acompañantes, en los que:

La Figura 1 es un diagrama Eh-pH, que indica las fases del nitrógeno bajo diversas condiciones;

la Figura 2 es una sección transversal de un área de suelo contaminado alrededor de un pozo, que se somete a tratamiento electrolítico;

la Figura 3 es una sección correspondiente a la Figura 2, que muestra un tratamiento galvánico;

la Figura 4 es una sección transversal de un área de suelo contaminado, que se somete a un tratamiento electrolítico;

la Figura 5 es una vista en planta de un área de suelo que se somete a un tratamiento del tipo mostrado en la Figura 4.

Los sistemas mostrados en los dibujos acompañantes y descritos a continuación son ejemplos que ilustran las formas de realización de la invención. Cabe señalar que el alcance de la invención está definido por las reivindicaciones acompañantes, y no necesariamente por características específicas de las formas de realización a modo de ejemplo.

La Figura 1 es un diagrama Eh-pH de las especies acuosas de nitrógeno en las condiciones indicadas. Cualquiera que sea la forma predominante del nitrógeno en el agua, amonio, amoníaco, nitrato, nitrito, o nitrógeno gaseoso, se puede obtener a partir del diagrama, introduciendo las condiciones reales de las variables, y leyendo los voltajes redox. Puesto que se desea que el nitrógeno gaseoso sea la forma predominante, el ingeniero puede leer los voltajes redox, para un pH dado, entre los que predominará el N_{2} gaseoso.

Por ejemplo, a un pH de 7, el campo de predominio del nitrógeno gaseoso se produce entre -250 mV (moderadamente reductor) y +150 mV (moderadamente oxidante) a una actividad del nitrógeno de 0,8 atm, una actividad del oxígeno gaseoso de 0,2 atm, y la actividad de las especies acuosas del nitrógeno fijadas a 10^{-3} moles/litro.

(Para los propósitos de esta memoria descriptiva, el término "actividad" se usa para indicar la concentración termodinámica ideal de una especie química presente en el sistema en consideración. Si la especie está presente en forma de gas, la actividad se puede medir en forma de presión parcial; si la especie está presente como componente no volátil, se puede medir en términos de un valor de concentración, por ejemplo moles/litro).

La invención se puede usar para tratar aguas subterráneas contaminadas con nitratos. La reacción catódica es como se ha descrito previamente; pero la reacción anódica probablemente supondrá la oxidación del agua, como sigue:

2H_{2}O = O_{2} + 4H^{+} + 4e^{-}

\hskip1cm

E_{0} = -1,23 \ V

Generalmente, el tratamiento de aguas subterráneas contaminadas con nitratos se ha considerado muy caro. Se reconoce que los principales beneficios en materia de costes proceden de llevar a cabo la electrólisis del agua subterránea in situ, comparado con los sistemas de tratamiento por electrólisis que suponen el paso del agua a tratar a través de una instalación de tratamiento industrial. Esos sistemas suponen el gasto de la provisión de un medio por la extracción del agua a tratar del suelo, y su envío hacia y a través de la instalación, y debido a que la propia instalación debe ser físicamente grande para contener los volúmenes de agua que se deben tratar.

El tratamiento electrolítico in situ de aguas subterráneas incurre en la reducción de gastos, especialmente en cuanto al coste de capital, puesto que el tratamiento se lleva a cabo con el agua que permanece en el suelo, y por tanto se evita o se reduce el coste de construir una instalación de tratamiento, o de construir medio para mover el agua hacia y fuera de la instalación.

La Figura 2 muestra un pozo de agua potable 40, con una envoltura metálica (acero) 43. El nitrato, por ejemplo, procedente de escorrentía agrícola, está contaminando el agua subterránea local, hasta el grado de contaminar el agua extraída del pozo. Se insertan barras de carbono 45 en el suelo de forma que hagan contacto con el agua contaminada por nitratos. Se conecta una fuente de voltaje 47 como se muestra, para así convertir la envoltura del pozo 43 en un cátodo y las barras 45 en un ánodo.

La influencia del cátodo en el pozo se extiende varios metros en el suelo circundante, y naturalmente es más fuerte cerca del pozo. Como se ha descrito, la reacción catódica sirve para reducir o eliminar el nitrato del agua.

Algunas veces, incluso una celda galvánica (es decir, una celda sin fuente de energía eléctrica) puede crear una reducción del nitrato lo suficientemente vigorosa para que el nitrato se trate eficazmente. La Figura 4 muestra el ánodo 49 en ese caso. El ánodo es de un metal electro-activo, tal como magnesio.

La Figura 4 muestra un caso en el que se debe tratar agua cargada con nitratos, no en un pozo como en las Figuras 2 y 3, sino mientras pasa a través del suelo. Se colocan dos barras de carbono 50, 52 y una fuente de voltaje 54 de manera que el cátodo 50 esté dentro del área del agua subterránea contaminada, y el ánodo 52 esté en el agua subterránea fuera del área contaminada. (Naturalmente las demarcaciones entre contaminada y no contaminada se caracterizan por cambios graduales en la concentración del contaminante, no bruscos).

Como se muestra en la Figura 4, se proporcionan sensores 56 para el control del pH y Eh del agua subterránea. Las señales procedentes de estos sensores se procesan en un ordenador 58, y el resultado se introduce en la fuente de voltaje 54. Así, si se debe variar el Eh (o de hecho el pH) del agua, se ajusta el voltaje. De manera similar, se puede mantener una comprobación de que se está suministrando la cantidad de energía eléctrica correcta para mantener el voltaje al nivel deseado. Las medidas de "antes" y "después" se pueden comparar, para comprobar la eficacia del sistema de tratamiento.

Algunas veces, sólo es necesaria una celda. Si se necesita más de una, las celdas extras se añaden de la misma manera, es decir, con el cátodo dentro del área contaminada y el ánodo fuera. La Figura 5 muestra un plano de un área de suelo típica en la que el agua subterránea está contaminada con nitratos. Se muestran dos celdas, y posteriormente se pueden añadir otras celdas, a medida que se mueve la zona contaminada, o para proporcionar más eficacia al tratamiento.

En la Figura 5, se proporcionan dos celdas. El voltaje necesario se suministra entre el cátodo 60 y el ánodo 62 de la primera celda 63. El cátodo 60 crea un área de influencia 64, en la que el nitrato se transforma en nitrógeno gaseoso. El ánodo sustancialmente no tiene ningún efecto sobre el contaminante. La segunda celda 67 es similar.

En la Figura 5, como se muestra, la razón por la cual se lleva a cabo el tratamiento es debida a que los pozos de agua potable 68 están localizados en el camino de la pluma de nitrato en movimiento. Estos pozos se pueden proteger adicionalmente de todo el nitrato que escape de las celdas 63, 67. La protección es la misma que la mostrada en la Figura 2.

Cuando se añaden más celdas, éstas se pueden añadir como unidades eléctricamente separadas, o se pueden conectar en serie, o en paralelo, con las celdas existentes. El ingeniero debe asegurarse de que se mantenga el voltaje en los electrodos, y la forma de conexión es secundaria a esto.

La invención está pensada para el uso general de la formación de celdas de electrólisis a gran escala, preferentemente in situ, con o sin energía eléctrica añadida. Los electrodos se pueden diseñar para adecuarse a las necesidades del caso individual.

El ingeniero debe tener en cuenta los efectos de la actividad electroquímica en el ánodo (en los casos tanto electrolíticos como galvánicos) en los que la electrólisis del agua en el ánodo dará lugar a la generación de iones hidrógeno, y un incremento en la acidez.

Si el agua es alcalina de forma natural, un poco de acidez extra no importa. No obstante, si el agua es ácida de forma natural, la acidez adicional puede ser un problema. Si es así, el ingeniero puede decidir dotar al ánodo de un material de sacrificio, por lo que la acidez generada en el ánodo se reduciría.

Puesto que el material del ánodo de sacrificio pasa al agua, el material se debe seleccionar para que que sea ambientalmente adecuado en agua. El magnesio, por ejemplo, tiene una toxicidad muy baja en agua, y es una buena elección para el ánodo de sacrificio. El aluminio, por otra parte, puede ser tóxico en agua, y está contraindicado. En algunos casos, por ejemplo, si el agua contiene materiales potencialmente tóxicos como aluminio disuelto y otros metales, el material anódico de sacrificio preferido será hierro, debido a que el hierro puede promover la co-precipitación de metales disueltos.

Otras áreas de aplicabilidad para la tecnología son:

- El tratamiento de un acuífero contaminado con nitratos, en profundidad (donde hay poca actividad biológica para reducir el nitrato). La celda electrolítica se forma poniendo electrodos en el acuífero. La electrólisis reduce el nitrato a nitrógeno gaseoso.

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Otros puntos a considerar en relación al tratamiento de agua contaminada por electrólisis como se ha descrito en el presente documento son:

- La eficacia de la reacción de electrólisis generalmente es mucho menor dependiente de la temperatura que las reacciones bioquímicas. La desnitrificación biológica a 10ºC se puede esperar que sea un orden de magnitud inferior que a 25ºC. La reacción de electrólisis se puede esperar que tenga lugar eficazmente incluso en climas helados prolongados.

- El tratamiento biológico convencional produce lodos. La reacción de electrólisis se puede esperar que produzca una cantidad comparativamente inferior de lodos.

- La electrólisis elude la necesidad de añadir una fuente de carbono, que es necesaria en la desnitrificación biológica convencional para mantener la velocidad de reacción y su finalización. Esto también puede reducir el volumen de lodos producidos.

- Las reacciones bioquímicas normalmente transcurren lentamente, por lo que son necesarios tiempos de residencia prolongados para completar el tratamiento. Las reacciones de electrólisis se puede esperar que se completen en períodos más cortos, evitando así tiempos de residencia prolongados.

- Si se encuentra que un sistema de electrólisis es inadecuado, a menudo la inadecuación se puede resolver simplemente añadiendo una instalación de tratamiento electrolítico adicional, en serie con la instalación ya presente. El coste de hacer esto no es mayor que el coste de suministrar el sistema más grande que habría habido originalmente. Por el contrario, si se encuentra que un sistema biológico es inadecuado, generalmente no se puede resolver de esa forma, es decir, simplemente añadiendo otro sistema pequeño. En lugar de eso, lo que es necesario es que se debe eliminar el sistema bioquímico inadecuado, y en su lugar se debe instalar un sistema completo mayor. Por tanto, el diseñador prudente de un sistema bioquímico convencional debe tener la precaución de realizar una provisión de contingencia, en el momento en el que se instala el sistema, a menudo a un coste considerable, para mayores demandas futuras del sistema. El diseñador del sistema electrolítico, por otra parte, puede diseñar el sistema simplemente para las necesidades actuales, sabiendo que el sistema se puede actualizar fácilmente más adelante si surge la necesidad.

El término Eh como se usa en el presente documento se define como sigue. El voltaje Eh de una disolución es el potencial redox generado en la disolución comparado con un electrodo de hidrógeno patrón. Un electrodo de hidrógeno patrón comprende un cable de platino con burbujas de hidrógeno a su alrededor, contenido dentro de una disolución de iones de hidrógeno en disolución de 10º moles por litro (la condición de pH 0).

Claims

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1. Procedimiento para el tratamiento in situ de agua subterránea contaminada por especies de nitrato o de amonio disueltas, en el que:

el agua es agua subterránea en su acuífero nativo en el suelo, y el procedimiento de tratamiento se lleva a cabo in situ, permaneciendo el agua contaminada en el acuífero durante el procedimiento;

el procedimiento incluye las siguientes etapas:

la medición del pH del agua subterránea contaminada con nitrógeno;

la determinación, mediante el uso de la ecuación de Nernst para ese pH medido, de los voltajes V-Ngas superior y V-Ngas inferior, que son los voltajes Eh limitantes teóricos entre los cuales la fase de nitrógeno predominante es nitrógeno gaseoso;

la provisión de un par de electrodos en el agua contaminada con nitrógeno, en el suelo;

la disposición de los electrodos en el suelo, de manera que los electrodos están en comunicación electrolítica entre sí a través del agua contaminada con nitrógeno, en el suelo;

creando de esta forma una celda electroquímica en el agua, en el suelo, que es cualquiera de una celda electrolítica o una celda galvánica, comprendiendo el agua contaminada con nitrógeno el electrolito de la celda;

la medición del voltaje Eh V-Eh del agua subterránea contaminada con nitrógeno,

el control del voltaje V-celda, que es el voltaje medido entre los electrodos en el suelo de la celda en el suelo, hasta un valor tal para mantener el voltaje Eh en el agua en las proximidades de uno de los electrodos a un voltaje V-Ngas, que es un voltaje Eh entre el V-Ngas superior y el V-Ngas inferior;

por lo que las especies de nitrato o de amonio disueltas en el agua subterránea se transforman directamente, in situ, en el suelo, en nitrógeno gaseoso;

el voltaje Eh de una disolución que es el voltaje redox generado en la disolución por comparación con un electrodo de hidrógeno patrón.
2. Procedimiento de la reivindicación 1, que incluye la etapa de mantenimiento del voltaje Eh del agua contaminada sustancialmente a medio camino entre dichos voltajes V-Ngas superior y V-Ngas inferior.
3. Procedimiento de la reivindicación 1 que incluye la etapa de provisión de un diagrama de fases Eh-pH de nitrógeno-oxígeno-hidrógeno, y de uso del mismo para determinar los niveles de voltaje V-Ngas superior y V-Ngas inferior.
4. Procedimiento de la reivindicación 1 que incluye la etapa de disposición de la celda de manera que el agua contaminada que comprende el electrolito de la celda es agua que se mueve o fluye en relación a los electrodos.
5. Procedimiento de la reivindicación 4, que incluye las etapas de establecimiento de la presencia de una masa de agua contaminada, de proporción de una pluralidad de celdas en la masa de agua contaminada, y de disposición de las celdas de manera que el agua contaminada fluye de celda en celda.
6. Procedimiento de la reivindicación 1, en el que, en el caso de que se determine que el voltaje V-Ngas deseado es inferior a V-Eh, por lo que es necesario añadir electrones al contaminante para transformar el nitrógeno del contaminante en nitrógeno en fase gaseosa, el procedimiento incluye la etapa de asegurar que el agua se mueve o fluye más allá del cátodo.
7. Procedimiento de la reivindicación 6, en el que el contaminante en el agua subterránea es nitrato.
8. Procedimiento de la reivindicación 1, que incluye la etapa de disposición de la celda electrolítica de manera que el procedimiento de tratamiento se lleva a cabo a una profundidad en el suelo a la que hay poca actividad biológica para reducir el nitrato.
9. Procedimiento de la reivindicación 7, en el que el cátodo de la celda es una envoltura metálica de un pozo, y en el que el procedimiento incluye la etapa de provisión del ánodo en forma de una barra conductora insertada en el material del acuífero, adyacente al pozo.
10. Procedimiento de la reivindicación 1, que incluye la etapa de provisión de un medio de control del voltaje, que sea eficaz para incrementar o reducir la energía eléctrica suministrada a los electrodos, para mantener el voltaje V-celda aplicado entre los electrodos a dicho valor;
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monitorización del pH y del voltaje Eh del agua contaminada, y cálculo de un nivel consecuentemente necesario del voltaje Eh de V-Ngas, en una base progresiva;

proporción de un medio de control del voltaje, que sea sensible a dicho nivel consecuentemente necesario del voltaje Eh de V-Ngas, y que sea eficaz para incrementar o reducir la energía eléctrica suministrada a los electrodos, para mantener el voltaje Eh de V-Ngas al nivel consecuentemente necesario.
11. Procedimiento de la reivindicación 1, en el que el material del ánodo es de sacrificio, en el que el material del ánodo es del tipo que pasa en disolución al agua como resultado de la actividad electroquímica.
12. Procedimiento de la reivindicación 11, en el que el material del ánodo es, o incluye, magnesio.
13. Procedimiento de la reivindicación 11, en el que el agua contaminada contiene un metal disuelto, y el material del ánodo es, o incluye, hierro.
14. Procedimiento de la reivindicación 1, que incluye la etapa de aplicación y mantenimiento de energía eléctrica desde una fuente externa entre el par de electrodos, de tal magnitud para mantener dicho voltaje V-celda entre los electrodos.