HDT 78: CELDAS ELECTROLÍTICAS DE PRODUCCIÓN IN SITU DE HIPOCLORITO DE SODIO
Junio 2000

Ing. Ricardo Rojas
Ing. Sixto Guevara

1. INTRODUCCIÓN

La producción de hipoclorito de sodio de baja concentración mediante la electrólisis de la salmuera fue una de las tecnologías seleccionadas y empleadas en la implementación de los sistemas locales de desinfección de agua y alimentos a nivel domiciliario. Tal implementación se ha efectuado en cumplimiento del Convenio de Cooperación Técnica suscrito entre el Ministerio de Salud del Perú y la Organización Panamericana de la Salud a través del Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente. La producción del hipoclorito de sodio se realizó con equipo simple, de bajo costo y accionado por energía eléctrica pública y energía solar.

La información proporcionada por los fabricantes y la bibliografía revisada no aportaba detalles acerca de las propiedades de las celdas electrolíticas y la información técnica disponible no permitía definir el tiempo de operación del equipo que garan- tizara la concentración adecuada del hipoclorito de sodio. Por otro lado, en el caso de los equipos accionados por energía solar, esta información permitiría optimizar y diseñar en forma adecuada los paneles solares y el acumulador eléctrico.

Esta Hoja de Divulgación Técnica realizada con el apoyo de la Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperación (COSUDE), presenta las características y capacidades de producción de las celdas electrolíticas, así como también las variables que favorecen o interfieren en la producción de la solución de hipoclorito de sodio.

2. ANTECEDENTES

Generalmente, las aguas naturales contienen numerosos gérmenes, algunos de los cuales pueden ser patógenos. Estos gérmenes patógenos suelen estar en el suelo o en las aguas contaminadas con heces de personas o de animales. De este modo, el agua se convierte en un vehículo de transmisión de enfermedades como el cólera, tifoidea, paratifoidea, hepatitis, disentería amebiana y viral, entre otras.

Actualmente, la mayor parte de las poblaciones rurales de los países en vías de desarrollo se abastece de agua no apta para el consumo humano. Como conse- cuencia de ello, los índices de enfermedades relacionadas con el agua son altos; sin embargo, estas enfermedades pueden ser evitadas mediante la desinfección del agua.

La desinfección del agua para consumo humano, mediante la aplicación de cloro o sus deriva- dos, es un proceso aceptado en todo el mundo para suministrar agua de buena calidad bacte- riológica. La producción de desinfectante en el mismo lugar de tratamiento, por medio de procesos electroquímicos, es una alternativa que cada día tiene mayor aceptación en el tratamiento del agua de consumo humano en el nivel rural y en algunos casos en el nivel urbano-marginal. Actualmente se disponen de pequeñas celdas que han demostrado su confiabilidad, simplicidad y bajo costo de operación y mantenimiento.

3. ASPECTOS TEÓRICOS

La solución de hipoclorito se obtiene mediante la electrólisis de una solución de salmuera preparada con cloruro de sodio o sal común. El proceso de descomposición de la solución de cloruro de sodio se efectúa por medio de una celda electrolítica constituida de dos elementos diferentes. En el presente caso, se han evaluado celdas cuyo cátodo está compuesto de titanio y el ánodo de titanio recubierto por óxidos de metales nobles como platino, iridio y rutenio. Este tipo de electrodo se denomina DSA (dimensional stable anode).

El proceso de descomposición se desarrolla, en cada uno de los electrodos, de acuerdo con las siguientes reacciones:

Ánodo:

Cl^- Ù ½Cl₂ + e^-(1)

Cátodo:

H₂O + e^- Ù ½H₂ + OH^-(2)

El cloro liberado en el ánodo, tiende hacia una rápida reacción de desproporción y produce ácido hipocloroso, cloruro e iones hidronio:

Cl₂+H₂OÙ HClO + Cl^-+H⁺(3)

El ácido hipocloroso de la reacción anterior entra en equilibrio químico y la proporción de cada uno de ellos depende del valor de pH:

HClO Ö H⁺+ ClO^- (4)

4. EQUIPOS EVALUADOS

Las pruebas se realizaron con nueve equipos proporcionados por cuatro diferentes fabricantes. En el Cuadro N° 1 se presenta un resumen de las características operativas de las celdas, capacidad de producción según el fabricante y las configuraciones de los electrodos de cada celda.

5. RESULTADOS

5.1 Capacidad de producción de cloro de las celdas electrolíticas

En el cuadro N° 2 se muestra las condiciones de operación de los equipos, en el cuadro N° 3 se presentan los resultados de la capacidad de producción de cada uno de los equipos, incluyendo algunos otros parámetros como la temperatura y el pH.

En el gráfico N° 1 se visualiza la evolución de las tasas promedio versus la concentración de hipoclorito de sodio de cada celda evaluada hasta un valor de 6 g Cl₂/L.

Se ha tomado el valor de la tasa promedio de producción como referencia para la evaluación del desempeño de las celdas electro- líticas. Para una concentración 5,0 g Cl₂/L las tasas promedio de producción de hipoclorito están en el rango de 0,90 a 2,25 g Cl₂/amp-hr; (en el gráfico N° 1 está indicada por la intersección de la línea vertical con cada una de las curvas de las celdas evaluadas).

Cuadro N° 1. Equipos evaluados

MARCA	MODELO	CARACTERÍSTICAS *
MARCA	MODELO	Corriente eléctrica A	Capacidad g Cl₂ /h	Configuración de electrodos
Sanilec	2	40 - 45	45	2 ánodos y 2 cátodos** en serie
	6	50 - 55	100	2 ánodos y 2 cátodos** en serie
	Mini (10 L)	4,5 - 4,7	9 - 10	1 ánodo y 2 cátodos en paralelo
Dipcell	A	12 - 15	20 - 25	4 ánodos y 2 cátodos en serie
	B	30	40 - 45	4 ánodos y 2 cátodos en serie
	C	60 - 68	100 - 110	4 ánodos y 2 cátodos en serie
Clorid	L-30	12 - 14	15	2 ánodos y 3 cátodos en paralelo
Aquachlor	AC - 5	5	5	2 ánodos y 2 cátodos en serie
Aquachlor	AC - 25	17 - 19	20 – 25	2 ánodos y 2 cátodos** en serie

CONDICIONES DE OPERACIÓN
EQUIPO	TIEMPO h	CORRIENTE A	VOLTAJE V	VOLUMEN ⁽¹⁾ L
Clorid L-30	8	14,0	4,3	30
Sanilec 2	6	24,5 – 28,0	4,4 – 4,5	33
Sanilec mini	7	5,3 – 7,2	13,6 – 12,2	10
Dipcell B	8	31,0 – 33,0	7,2 – 7,4	80
Aquachlor 25	1,5	25,0	9,7 – 8,8	10
Dipcell C	5	55,0 – 62,0	7,4	100
Aquachlor 5	3	5,0	9,48	5
Dipcell A	9	12,0 – 12,5	8,0	40
Sanilec 6	6	24,0 – 28,5	9,2 – 9,4	60

RESULTADOS
EQUIPO	TEMPERATURA °C		pH	CONCENTRACIÓN g Cl₂/L	MASA TOTAL g Cl₂	MASA EN EL INTERVALO g Cl₂/h		TASA EN EL INTERVALO g Cl₂/amp-hr		TASA PROMEDIO⁽³⁾ g Cl₂/amp-hr
EQUIPO	Inicial⁽²⁾	Final	pH	CONCENTRACIÓN g Cl₂/L	MASA TOTAL g Cl₂	Inicial	Final	Inicial	Final	TASA PROMEDIO⁽³⁾ g Cl₂/amp-hr
Clorid L-30	-	-	-	6,91	78,30	10,20	3,90	0,73	0,28	0,70
Sanilec 2	25,0	32,5	8,8	5,05	166,70	29,54	27,05	1,21	0,97	1,05
Sanilec mini	23,0	55,5	-	4,98	49,84	11,96	3,77	2,26	0,52	1,09
Dipcell B	25,0	33,0	8,7	4,81	384,63	69,13	33,68	2,23	1,02	1,56
Aquachlor 25	23,0	38,0	-	6,16	61,58	60,25	27,02	2,41	1,08	1,64
Dipcell C	25,0	34,0	8,8	5,14	513,72	158,00	74,40	2,87	1,20	1,74
Aquachlor 5	23,0	40,0	-	5,25	26,25	9,86	8,20	1,97	1,64	1,75
Dipcell A	25,0	31,5	8,4	5,01	200,28	26,55	17,27	2,21	1,38	1,82
Sanilec 6	25,0	37,0	8,8	5,74	344,31	79,76	56,31	3,32	1,98	2,22

Cuadro N° 4. Comparación de tasas promedio de producción de hipoclorito
en función de la concentración

MARCA	MODELO	CONCENTRACIÓN g Cl₂/L		Tasa* g Cl₂/amp-hr
MARCA	MODELO	Fabricante	Observado	Fabricantes	Observado
Sanilec	2	5 - 6	cumple	1,05	1,02
	6	5 - 6	cumple	1,90	2,22
	Mini	5 - 6	cumple	2,06	1,09
Dipcell	A	5 - 6	cumple	1,80	1,82
	B	5 - 6	cumple	1,42	1,56
	C	5 - 6	cumple	1,64	1,74
Clorid	L-30	10	no cumple**	1,15	0,78
Aquachlor	AC - 5	5 - 6	cumple	1,0	1,75
Aquachlor	AC - 25	5 - 6	cumple	1,25	1,64

5.2 Factores que influyen en la capacidad de producción de la celda electrolítica

La temperatura, la inmersión de la celda en la salmuera y el tipo de sal influyen en la producción de hipoclorito de sodio, algunos de estos factores afectan de manera significativa la tasa de producción. A continuación se exponen dichos efectos empleando una la celda Dipcell A en un volumen salmuera de 10 litros para evaluar el efecto de la temperatura y la inmersión de los electrodos y 30 litros para el caso del tipo de sal.

5.2.1 Temperatura de la salmuera

La producción de hipoclorito mantenida a una temperatura constante de 25 °C alcanza fácilmente valores de 10 g Cl₂/L; mientras que, la producción sin control de temperatura alcanza una temperatura máxima de 41.5 °C y la concentración es 8,5 g Cl₂/L.

Las concentraciones de la producción de hipoclorito con temperatura constante y sin control de temperatura son similares hasta aproximadamente 7,0 g Cl₂/L tal como se muestra en el gráfico N° 2.

5.2.2 Inmersión de la celda

La producción de hipoclorito de sodio con diferente carga de salmuera sobre los electrodos tiene una influencia en la producción de hipoclorito. Así, la obtención de una solución de hipoclorito de sodio con una concentración de 5 g Cl₂/L, demandó aproximadamente 25 minutos más en una celda con una carga de salmuera que cubría sólo los electrodos, en comparación con la celda en la

cual la carga sobre los electrodos era de 31 cm. Los resultados de la prueba se muestran en el gráfico N° 3.

5.2.3 Tipo de sal

La producción de hipoclorito de sodio con sal de cocina tiene una tasa ligeramente menor que la sal peletizada, no así la sal industrial, la cual es mucho menor con la consecuente menor concentra- ción de cloro libre alcanzada en igual tiempo de producción.

El gráfico N° 4 muestra la evolución de la concentración de la solución de hipoclorito producido con los tres tipos de sal. Los tiempos de producción de hipoclorito con una con- centración de 5 g Cl₂/L de cloro libre con las sales peletizada, de cocina e industrial son: 6 horas 45 minutos, 7 horas 10 minutos y 7 horas 42 minutos, respectivamente.

6. CONCLUSIONES

6.1 Las celdas evaluadas alcanzan la concentración de 5 g Cl₂/L con tasas promedio en el rango de 1,05 a 2,25 g Cl₂/amp-hr.

6.2 La máxima concentración obtenida por las celdas elec- trolíticas Dipcell A y Aquachlor 25 y bajo condiciones normales de operación fue de 8 g Cl₂/L.

6.3 La producción de hipoclo- rito de sodio con la celda Clorid L-30 no alcanza la concentración de 10 g Cl₂/L durante las 24 horas de funcionamiento tal como asegura el fabricante, logrando solamente una concentración de 6,9 Cl₂/L.

6.4 La disposición de los electrodos de los equipos Clorid L-30 y Sanilec Mini no permiten producir volúmenes menores o mayores a los establecidos por los fabricantes.

6.5 Las celdas que operan con mayores valores de amperaje tienen una mayor declinación en la tasa de producción. Sin embargo, el promedio de las tasas de producción es mayor que las celdas que trabajan con bajos amperajes.

6.6 La temperatura de la salmuera influye en la producción de hipoclorito a concentraciones mayores a 7,2 g Cl₂/L. Para concentraciones alrededor de 5 g Cl₂/L la temperatura no es un factor determinante.

6.7 La inmersión de la celda es un factor importante en la producción del desinfectante. En celdas sumergidas parcialmente, donde los electrodos están sin carga de salmuera, con respecto a la totalmente sumergida, es necesario un mayor tiempo para producir una solución de hipoclorito de sodio de igual concentración.

6.8 En la producción de hipoclorito se puede emplear sal de cocina, sin perjuicio de la concentración final del mismo. El empleo de sal industrial conduce a obtener una menor concen- tración del desinfectante con el perjuicio que este tipo de sal, por sus impurezas, puede afectar notablemente la tasa y la vida útil de los electrodos por la rápida incrustación de los ánodos de la celda electrolítica.

6.9 La concentración de la salmuera tiene una relación directa con el amperaje que circula por los electrodos de la celda; si ésta no tiene una concentración adecuada, el equipo trabajará entregando un menor o mayor amperaje que lo requerido, con la consiguiente incertidumbre en la concentración de la solución de hipoclorito.

7. RECOMENDACIONES

7.1 Realizar la producción de la solución de hipoclorito de sodio en recipientes que permitan la inmersión de la celda hasta el nivel de las ventilaciones superiores.

7.2 No intentar obtener concentraciones de solución de hipoclorito de sodio mayor a 6 g de Cl₂/L, por la significativa caída en la eficiencia de la celda electrolítica.

7.3 Emplear sal de cocina como insumo para la preparación de la salmuera y evitar el uso de sal industrial debido a la baja eficiencia de producción y la rápida incrustación de la celda electrolítica.

7.4 Utilizar siempre una salmuera al 3% (30 g/L) a fin de estandarizar la concentración final de la solución desinfectante después de un tiempo especificado de operación.