ADECUACIÓN DE UN SISTEMA ELECTROQUÍMICO DE

ELECTROCOAGULACIÓN PARA LA DESALINIZACIÓN DE

AGUA DE MAR.

KATHERIN ANDREA ARISTIZÁBAL TÉLLEZ

Código: 1088343907

LUISA FERNANDA OSPINA FANDIÑO

Código: 1193527298

Trabajo de investigación presentado como requisito para optar al título de

INGENIERA MECÁNICA

Director:

Dr. José Luis Tristancho Reyes Ingeniero Metalúrgico, PhD en Ingeniería

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA

FACULTAD DE MECÁNICA APLICADA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

Pereira, 2026

Contenido Resumen .......................................................................................................................................... 6 Abstract ........................................................................................................................................... 7 Capítulo 1 ........................................................................................................................................ 8 Introducción .................................................................................................................................... 8 La electrocoagulación como tecnología disruptiva ........................................................... 10

1.

Simplicidad operativa: .............................................................................. 10

2.

Versatilidad de contaminantes: ................................................................. 10

3.

Generación reducida de lodos: .................................................................. 10

4.

Desinfección integrada: ............................................................................ 10

5.

Modularidad y escalabilidad: .................................................................... 10 Estado del arte ................................................................................................................... 12 Justificación ...................................................................................................................... 13 • ODS6-Agua Limpia y Saneamiento ......................................................... 14 • ODS 14- Vida Submarina: ........................................................................ 15 • ODS 13- Acción por el Clima: .................................................................. 15 Objetivos ........................................................................................................................... 15 1.2.1 Objetivo General ....................................................................................... 15 1.2.2 Objetivos específicos. ............................................................................... 15 Alcances y limitaciones. ................................................................................................... 16 Capítulo 2 ...................................................................................................................................... 18 Marco Teórico ............................................................................................................................... 18 2.1 Agua de mar: composición y propiedades .................................................................. 18

2.1.1. Composición química del agua de mar ....................................................... 18 2.1.2. Propiedades fisicoquímicas relevantes ....................................................... 19 2.2 Fundamentos de electrocoagulación ........................................................................... 20 2.2.1 Conceptos básicos ........................................................................................ 20 2.2.2 Leyes fundamentales .................................................................................... 21 Primera ley de Faraday ......................................................................................... 21 Ley de Ohm para soluciones: ................................................................................ 22 2.3. Mecanismos de electrocoagulación ........................................................................... 22 2.3.1. Etapas del proceso....................................................................................... 22 2.3.2. Reacciones competitivas en agua de mar.................................................... 24 2.4. Parámetros operativos en electrocoagulación ............................................................ 25 2.4.1. Material del electrodo ................................................................................. 25 2.4.2. Densidad de corriente ................................................................................. 26 2.4.3. Tiempo de tratamiento ................................................................................ 27 2.4.4. Distancia inter-electrodos ........................................................................... 28 2.4.5. pH del medio ............................................................................................... 28 2.5. Tecnologías convencionales de desalinización .......................................................... 29 2.5.1. Ósmosis inversa (RO) ................................................................................. 29 2.5.2. Destilación multiefecto (MED) ................................................................... 30 2.5.3. Electrodiálisis (ED) ..................................................................................... 31 2.6. Estado del arte en electrocoagulación para desalinización ........................................ 32 2.6.1. Estudios recientes (2024-2026)................................................................... 32 Capítulo 3 ...................................................................................................................................... 35

Metodología y Experimento ......................................................................................................... 35 Metodología .......................................................................................................... 35 3.1. Diseño del reactor de electrocoagulación .................................................................. 37 3.1.1. Especificaciones del diseño ........................................................................ 37 3.1.2. Materiales de construcción ......................................................................... 37

3.1.4 Optimización del área electroactiva del proceso de electrocoagulación ..... 38

3.1.5. Configuración eléctrica ............................................................................... 39 3.2. Preparación de agua sintética de mar ......................................................................... 40 3.2.1. Composición de la solución sintética .......................................................... 40 3.3 Material y Dimensiones de la celda ............................................................................ 40 3.4 Montaje del reactor ..................................................................................................... 42 3.5 Ejecución de ensayo .................................................................................................... 42 Capítulo 4 ...................................................................................................................................... 51 Análisis de Resultados .................................................................................................................. 51 4.1 Resultados muestra inicial .......................................................................................... 51 4.2 Resultados muestra final ............................................................................................. 52 4.3. Eficiencia de remoción .............................................................................................. 53 Capítulo 5 ...................................................................................................................................... 56 Conclusiones ................................................................................................................................. 56

A nuestras familias, por su apoyo incondicional durante este camino de formación profesional.

Al agua, recurso vital que nos impulsa a buscar soluciones sostenibles para un futuro más equitativo.

Resumen Este trabajo de grado presenta el diseño, construcción y validación experimental a nivel de laboratorio de un sistema de electrocoagulación para la desalinización de agua de mar como alternativa tecnológica sostenible para comunidades insulares y costeras con acceso limitado de agua dulce. La electrocoagulación (EC) es un proceso electroquímico que genera coagulantes mediante la disolución anódica de electrodos, eliminando la necesidad de dosificación química externa y reduciendo la producción de lodos en comparación con métodos convencionales.

El proceso de electrocoagulación generó remociones consistentes entre el 22% y el 24% en los parámetros iónicos evaluados durante 60 minutos de tratamiento, con reducciones de 22,660 a 17,256 mg/L en cloruro, de 16.17 a 12.31 mg/L en sodio y de 58.5 a 45.3 µS/cm en conductividad eléctrica. Estos resultados confirman que el proceso es capaz de reducir la salinidad del agua de manera cuantificable desde una única etapa de operación. El incremento de turbiedad de 8.8 a 850 NTU evidenció que la electrocoagulación requiere una etapa complementaria de separación sólido-líquido, ya sea por sedimentación prolongada o filtración, para obtener agua clarificada apta para caracterización final.

Palabras clave: Electrocoagulación, desalinización, agua de mar, electrodos de aluminio, densidad de corriente, tratamiento electroquímico, desarrollo sostenible.

Abstract This undergraduate thesis presents the design, construction, and experimental validation of an electrocoagulation system for seawater desalination as a sustainable technological alternative for island and coastal communities with limited access to freshwater. Electrocoagulation (EC) is an electrochemical process that generates coagulants, eliminating the need for external chemical dosing and reducing sludge production compared to conventional treatment methods.

The electrocoagulation process achieved consistent reductions of 22–24% in the evaluated ionic parameters over 60 minutes of treatment. Chloride concentration decreased from 22,660 to 17,256 mg/L, sodium from 16.17 to 12.31 mg/L, and electrical conductivity from 58.5 to 45.3 µS/cm. These results demonstrate that the process can measurably reduce seawater salinity in a single treatment stage.

Turbidity increased from 8.8 to 850 NTU during treatment, indicating that electrocoagulation requires an additional solid–liquid separation stage, such as sedimentation or filtration, to produce clarified water suitable for final characterization.

Keywords: Electrocoagulation, desalination, seawater, aluminum electrodes, current density, electrochemical treatment, sustainable development.

Capítulo 1 Introducción El encuentro entre una necesidad evidente y la posibilidad de una solución innovadora puede convertirse en el motor de una propuesta transformadora. Durante una visita a algunas islas del archipiélago de San Bernardo (Coveñas – Cordoba), en Colombia, fue posible evidenciar las dificultades reales que enfrentan sus habitantes para acceder al agua dulce. Esta experiencia motivó el desarrollo de un proyecto enfocado en el diseño y adecuación de una alternativa tecnológica basada en los principios electroquímicos de la “ELECTROCOAGULACIÓN”. La crisis hídrica global representa uno de los desafíos más apremiantes del siglo XXI. Según la organización de las Naciones Unidas (ONU), más de 2,000 millones de personas carecen de acceso a agua potable segura, y se estima que para 2030 la demanda superará en un 40% la disponibilidad global. Esta situación paradójica cobra especial relevancia en regiones costeras e insulares, donde vastos volúmenes de agua de mar rodean comunidades que sufren escasez hídrica crítica debido a la ausencia de fuentes de agua dulce y a la limitada infraestructura de tratamiento.

Colombia, a pesar de ser uno de los países con mayor riqueza hídrica del planeta —ocupando el sexto lugar mundial en disponibilidad de agua renovable por persona (Instituto de Hidrología, 2022); Enfrenta una distribución geográfica extremadamente desigual del recurso. Las zonas costeras colombianas ejemplifican esta paradoja: sus habitantes dependen del costoso transporte de agua desde el continente, de sistemas de recolección de agua lluvia vulnerables a la variabilidad climática, o de pozos artesanales con alta salinidad residual. Esta situación no solo

afecta la salud pública y la calidad de vida, sino que también limita el desarrollo económico de actividades como el turismo sostenible y la pesca artesanal.

Las tecnologías convencionales de desalinización —principalmente ósmosis inversa (OI) y destilación multiefectos (MED)— dominan el mercado global con más de 18,000 plantas instaladas que producen aproximadamente 95 millones de m3/día (Moussa, 2017); Sin embargo, estas tecnologías presentan barreras críticas para su implementación en contextos descentralizados de pequeña escala: altos costos de capital y operación (USD $0.50–$1.50/m3 para RO), dependencia de membranas susceptibles a suciedad que requiriendo mantenimiento especializado, generación de salmueras concentradas con impacto ambiental significativo, y consumo energético intensivo (3–6 kWh/m3).

Esta investigación tiene como objetivo principal el diseño conceptual, la construcción y validación experimental de un prototipo a escala de laboratorio que permita desalinizar agua de mar, empleando como principio operativo la electrocoagulación. El estudio incluye un análisis paramétrico para determinar las condiciones óptimas de operación, con el fin de maximizar la eficiencia en la remoción de sales presente en una muestra de agua salada. Asimismo, se busca establecer la viabilidad técnica de esta tecnología como una alternativa robusta, de menor huella energética y con una producción minimizada de efluentes concentrados, en comparación con métodos convencionales como la ósmosis inversa.

La electrocoagulación como tecnología disruptiva La electrocoagulación (EC) emerge como una alternativa tecnológica robusta que integra principios de electroquímica y separación de fases para el tratamiento de agua (Moussa, 2017);. A diferencia de la coagulación química tradicional —que añade sales metálicas externas (FeCl3, Al2(SO4)3)— la EC genera los agentes coagulantes mediante la oxidación electrolítica de ánodos de sacrificio, típicamente de aluminio o hierro. Este principio operativo confiere ventajas diferenciales significativas:

1. Simplicidad operativa: No requiere dosificación, almacenamiento ni transporte de productos

químicos peligrosos, reduciendo riesgos de seguridad y requisitos logísticos.

2. Versatilidad de contaminantes: Efectiva para remoción simultanea de múltiples

contaminantes incluyendo turbidez, materia orgánica, metales pesados, y potencialmente sales di sueltas.

3. Generación reducida de lodos: Los flóculos de hidróxidos metálicos son más compactos y

contienen menos agua ligada que los lodos químicos convencionales.

4. Desinfección integrada: La generación de especies oxidantes (cloro activo, radicales

hidroxilos) proporciona desinfección sin dosificación adicional de cloro.

5. Modularidad y escalabilidad: Fácilmente adaptable desde escala de laboratorio hasta

instalaciones industriales mediante adición de módulos de electrodos.

El mecanismo fundamental de la EC en agua de mar involucra una cascada de reacciones electroquímicas complejas que ocurren simultáneamente; todos los potenciales están reportados respecto al electrodo estándar de hidrogeno (SHE):

En el ánodo:

Al (s) →Al3 (aq) + 3e- (E0 = -1,66 V)

(1.1)

En el cátodo:

2H2O + 2e- → H2 (g) +2OH- (aq) (E0 = -0,83 V)

(1.2)

Reacción de evolución de cloro (CER) en presencia de cloruros: 2Cl- → Cl2 (g) + 2e- (E0 =+1,36 V)

(1.3)

El cloro gas generado se hidroliza rápidamente formando especies desinfectantes: Cl2 + H2O- ↔ HOCL + H+ + Cl-

(1.4)

Los cationes Al3+ liberados reaccionan con los iones hidroxilo para formar hidróxidos insolubles que actúan como coagulantes:

Al3 + 3OH- → Al (OH)3 ↓

(1.5)

Estos flóculos de hidróxido de aluminio atrapan contaminantes mediante tres mecanismos sinérgicos: neutralización de carga superficial de coloides mediante la reducción del potencial Zeta, barrido mecánico, adsorción de iones. (Dissanayaka Mudiyanselage, 2022)

Simultáneamente, las microburbujas de hidrógeno generadas en el cátodo arrastran los flóculos hacia la superficie mediante electro flotación, facilitando su remoción sin necesidad de sedimentadores mecánicos complejos.

Estado del arte La aplicación de EC para desalinización de agua de mar representa una frontera de investigación emergente con literatura limitada pero prometedora. Mientras que la EC ha demostrado eficacia comprobada en el tratamiento de aguas residuales industriales, efluentes textiles, y remoción de metales pesados —con eficiencias de remoción típicamente superiores al 90% para estos contaminantes (Moussa, 2017) (Al-Rubaye, 2024)- su aplicación específica para reducir la salinidad total del agua de mar permanece insuficientemente estudiada.

Osra (Osra, 2025) reportó recientemente resultados disruptivos empleando electrodos de hierro en agua de mar del Golfo Pérsico, logrando remociones sorprendentes: 92.01% de cloruros, 90.89% de sulfatos, 94.21% de calcio, y 90.1% de TDS operando a 2 A durante 80 minutos. Sin embargo, estos hallazgos requieren validación independiente debido a las implicaciones termodinámicas: la remoción de iones altamente solubles como Na+ y Cl- mediante coagulación desafía los principios establecidos de solubilidad, sugiriendo que los mecanismos involucrados podrían incluir fenómenos electroquímicos adicionales más allá de la simple coagulación. En contraste, estudios más conservadores como el de Afiatun (Afiatun, 2025) en agua salobre indonesia reportaron remociones modestas de TDS del 8.5% (de 3,400 a 3,110 mg/L) usando aluminio a 10 V, atribuidas a la corrosión por picaduras (Afiatun, 2025) que degrada los electrodos sin contribución´ proporcional a la remoción. La revisión exhaustiva de Al-Rubaye et

al. (Al-Rubaye, 2024) sobre factores operativos en EC enfatiza que la densidad de corriente, el pH, la distancia inter-electrodos y el material del electrodo son variables críticas interdependientes cuya optimización simultanea requiere diseño experimental sistemático La brecha critica de conocimiento que motiva este trabajo radica en la ausencia de estudios experimentales controlados que evalúen la EC específicamente para agua de mar del Caribe colombiano, caracterizada por salinidad promedio de 35 g/L, temperatura de 28°C, y pH alcalino (8.0 – 8.3). Además, se carece de datos experimentales sobre la viabilidad técnica y económica de sistemas de EC descentralizados de pequeña escala (100 L/día) aplicables en contextos insulares remotos con acceso limitado a infraestructura técnica especializada.

Justificación En la actualidad se puede evidenciar que son pocos los métodos empleados para el tratamiento de desalinización del agua procedente de mar, y muchos de estos suelen ser costosos, poco eficientes, y con complicaciones en el mantenimiento; en razón a esto se proponen innovaciones tecnológicas como lo es la electrocoagulación. Esta tecnología promete ser una alternativa más eficiente y con menor impacto ambiental, ya que reduce el consumo energético y elimina la necesidad de aditivos químicos. Sin embargo, su adopción ha sido limitada, en gran parte por el desconocimiento de sus beneficios y la falta de dispositivos optimizados para su aplicación. Este proyecto justifica la necesidad de explorar y desarrollar la electrocoagulación como una solución viable y sostenible para la desalinización de agua de mar, alineándose con el compromiso de proteger el medio ambiente y promover el desarrollo sostenible.

La creciente escasez de agua dulce a nivel mundial, causada por el aumento poblacional y el cambio climático, representa un gran desafío para la seguridad hídrica y el desarrollo sostenible. Según datos recientes de la ONU (Organización de las Naciones Unidas), actualmente más de 2.000 millones de personas viven en países con alto estrés hídrico, y se estima que para el año 2030 la demanda de agua superará en un 40 % la disponibilidad global, afectando especialmente a las poblaciones más vulnerables. (UNESCO, 2023; Agua, 2023). Colombia, a pesar de ser uno de los países con mayor disponibilidad hídrica en el mundo, enfrenta graves problemas, no solo por su distribución desigual, sino también por la falta de tecnologías adaptadas a contextos rurales, costeros e insulares, los cuales, a pesar de estar rodeados de agua de mar, presentan condiciones críticas de abastecimiento, viven con racionamientos constantes, acceso limitado o incluso inexistente de este recurso. (Vacía, 2023). Esta situación no solo afecta la salud y calidad de vida de las personas, sino que también limita el desarrollo social y económico de esas comunidades, lo que evidencia la necesidad de explorar nuevas alternativas innovadoras y sostenibles para el abastecimiento de agua aprovechable. La implementación de tecnologías sostenibles como la electrocoagulación para la desalinización del agua de mar puede cambiar significativamente la realidad de muchas de estas comunidades, al ser un método alternativo, con menores impactos ambientales y costos operativos, respecto a otros métodos convencionales. Este trabajo de grado responde a una necesidad humanitaria urgente alineada con múltiples Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS):

• ODS6-Agua Limpia y Saneamiento (Unidas., 2015): Contribuye directamente a las metas

6.3 (mejorar la calidad del agua reduciendo contaminación), 6.4 (aumentar el uso eficiente del agua mediante tecnologías innovadoras), y 6.b (apoyar la participación de comunidades locales en la gestión del agua).

• ODS 14- Vida Submarina: La EC genera lodos sólidos de hidróxido metálico en lugar de

salmueras liquidas concentradas, reduciendo el impacto sobre ecosistemas marinos comparado con RO que vierte salmueras con concentraciones de 60–70 g/L.

• ODS 13- Acción por el Clima: Sistemas de EC pueden integrarse con energía solar

fotovoltaica para operación autónoma con huella de carbono cero, particularmente relevante en islas con alta irradiancia solar (5 kWh/m2/día).

Desde la perspectiva académica, este proyecto integra múltiples áreas del conocimiento de ingeniería mecánica: diseño de sistemas de proceso, análisis de fenómenos de transporte, selección y caracterización de materiales, experimentación controlada con análisis estadístico, y evaluación, tecno-económica.

Objetivos

1.2.1 Objetivo General

Desarrollar un sistema de desalinización de agua de mar que sea energéticamente eficiente, ambientalmente sostenible y económicamente viable., utilizando la técnica electroquímica de

ELECTROCOAGULACIÓN.

1.2.2 Objetivos específicos.

• Explorar el uso de la electrocoagulación como método alternativo para disminuir la salinidad

en muestras de agua salada, identificando sus ventajas frente a métodos convencionales.

• Diseñar un modelo de celda electroquímica de electrocoagulación para ser usado en el

tratamiento de desalinización de agua de mar, adaptable a distintas concentraciones salinas y ajustable en laboratorio.

• Construir y poner en marcha la celda diseñada, con el fin de determinar experimentalmente

los parámetros que favorecen la eficiencia del proceso de separación de sales.

• Evaluar la efectividad del sistema de electrocoagulación mediante el análisis comparativo de

las características fisicoquímicas de las muestras antes y después del tratamiento, determinando la viabilidad del método a mayor escala.

Alcances y limitaciones.

Este trabajo de investigación abarca el diseño completo del sistema de electrocoagulación, su construcción y puesta en operación a escala de laboratorio, y la validación experimental del desempeño mediante múltiples ensayos controlados. El alcance incluye:

• Diseño del reactor electroquímico considerando aspectos de ingeniería (distribución de

corriente, configuración de electrodos, sistema de agitación).

• Fabricación del prototipo con materiales disponibles comercialmente.

• Preparación de agua sintética de mar con composición química controlada.

• ejecución de matriz experimental (2 densidades de corriente × 1 tiempos =2).

• Caracterización fisicoquímica completa de muestras antes y después del tratamiento en

laboratorio certificado. Análisis estadístico de resultados y determinación de condición optima.

Las limitaciones del presente trabajo son:

• Los ensayos se realizan con agua sintética preparada en laboratorio, no con agua de mar

natural, debido a limitaciones logísticas de transporte y almacenamiento.

• No se contempla la construcción de un prototipo piloto de campo ni pruebas con usuarios

finales en las comunidades.

• El análisis de lodos generados se limita a caracterización básica (contenido de humedad,

composición elemental); no se realizan pruebas de lixiviación toxicología exhaustiva según normativas TCLP.

• No se incluye el diseño detallado de sistemas de integración con energía solar fotovoltaica,

aunque se proporciona estimación de requerimientos energéticos. La evaluación de vida útil de electrodos se basa en cálculos teóricos según leyes de Faraday; no se realizan pruebas de durabilidad de largo plazo (500 horas de operación).

Capítulo 2 Marco Teórico Este capítulo establece las bases científicas y técnicas necesarias para comprender los fundamentos del proceso de electrocoagulación aplicado a la desalinización de agua de mar. Se abordan los principios de electroquímica, los mecanismos de coagulación y floculación, la caracterización del agua de mar, las tecnologías convencionales de desalinización, y una revisión exhaustiva del estado del arte en electrocoagulación.

2.1 Agua de mar: composición y propiedades

2.1.1. Composición química del agua de mar

El agua de mar es una solución acuosa compleja que contiene sales disueltas, gases, materia orgánica y organismos en suspensión. La salinidad promedio de los océanos es de aproximada mente 35 g/L (35% o 3.5% en peso) (ASTM, 2013), aunque varía geográficamente dependiendo de factores como la evaporación, precipitación, aportes fluviales y corrientes marinas.

Los principales iones disueltos en agua de mar y sus concentraciones típicas se presentan en la Tabla 2.1.

Tabla 2.1 Composición iónica típica del agua de mar (salinidad 35 g/L)

Nota: Tabla realizada por las autoras del proyecto.

2.1.2. Propiedades fisicoquímicas relevantes

Las propiedades fisicoquímicas del agua de mar tienen implicaciones directas en el diseño y operación de sistemas de tratamiento electroquímico:

• Conductividad eléctrica: El agua de mar típica presenta una conductividad de 50–55 mS/cm

a 25°C, aproximadamente 100 veces superior al agua dulce (0.5 mS/cm). Esta alta conductividad reduce significativamente la resistencia óhmica del electrolito, disminuyendo el voltaje de celda requerido y por tanto el consumo energético en procesos electroquímicos.

• pH: El agua de mar superficiales ligeramente alcalina (pH 8.0 – 8.3) debido al equilibrio

carbónico CO2/HCO3-/CO32- y la presencia de cationes alcalinos (Ca2+, Mg2+). Este pH favorable para la formación de hidróxidos metálicos insolubles facilita la coagulación.

• Temperatura: En el Caribe colombiano, la temperatura superficial del mar varía entre 27–

29°C, afectando la solubilidad de gases (O2, CO2), la cinética de reacciones electroquímicas (según la ecuación de Arrhenius), y la viscosidad del medio (impactando la sedimentación de flóculos).

• Densidad: La densidad del agua de mar (1.025 g/cm3 a 25°C) es ligeramente superior a la

del agua dulce (1.000 g/cm3), afectando los procesos de flotación de flóculos mediante microburbujas de H2.

2.2 Fundamentos de electrocoagulación

2.2.1 Conceptos básicos

La electrocoagulación (EC) es una tecnología electroquímica emergente utilizada para el tratamiento de agua y aguas residuales que se basa en la generación de agentes coagulantes metálicos mediante la aplicación de corriente eléctrica continua. A diferencia de la coagulación química convencional, donde el coagulante se adiciona externamente, en EC este se produce a partir de la disolución controlada de un ánodo sacrificial (por ejemplo, aluminio o hierro) bajo polarización eléctrica, lo que favorece la formación de hidróxidos metálicos que floculan contaminantes presentes en la solución. Esta técnica ha sido estudiada en diversas aplicaciones debido a su eficiencia operativa, simplicidad de diseño y menor producción de reactivos químicos externos. (Bard, 2022).

Reacciones electroquímicas en electrocoagulación: En un reactor de electrocoagulación, los electrodos metálicos actúan como sitio de reacciones redox. Al aplicar corriente continua, el

ánodo sacrificial se oxida liberando iones metálicos, mientras que en el cátodo ocurre la reducción de agua, produciendo hidrógeno y iones hidroxilo que participan en la formación de coagulantes metálicos.

En el caso de electrodos de aluminio, las principales reacciones son: Reacción anódica (oxidación del ánodo):

Al (s) → Al3+ + 3e -

(2.1)

Reacción catódica (reducción del agua):

2H2O + 2e- → H2 (g) +2OH-

(2.2)

Los iones Al3 formados reaccionan con los iones hidroxilo para dar lugar a hidróxidos metálicos, tales como Al (OH)3, que actúan como coagulantes que neutralizan cargas y favorecen la formación de flóculos que atrapan partículas y sustancias disueltas.

2.2.2 Leyes fundamentales

Primera ley de Faraday (Pletcher, 1993) : La masa de sustancia depositada o disuelta en un electrodo es directamente proporcional a la carga eléctrica transferida: 𝑚= 𝐼𝑡𝑀 𝑛𝐹

(2.3)

Donde 𝑚 es la masa (g), la 𝐼 corriente (A), 𝑡 el tiempo (s), 𝑀 la masa molar (g/mol), 𝑛 la valencia, y 𝐹 la constante de Faraday.

Para electrodos de aluminio operando como ánodos de sacrificio, la cantidad teórica de Al3+ liberada por hora a una corriente de 2 A es:

𝑚𝐴𝑙= 2𝐴 × 3600𝑠 × 26,98 𝑔/𝑚𝑜𝑙

3 × 96485 𝐶/𝑚𝑜𝑙

= 0,671 𝑔/ℎ

(2.4)

Ley de Ohm para soluciones: La caída de potencial óhmico (∆VΩ) en el electrolito entre electrodos separados una distancia d (cm) con densidad de corriente j (A/cm2) y conductividad κ (S/cm) es:

∆VΩ= 𝑗𝑑 κ

(2.5)

Para agua de mar (κ ≈ 0,05 S/cm), electrodos separados 1.5 cm, y j = 15 mA/cm2: ∆VΩ= 0,015 𝐴/𝑚2 × 1,5𝑐𝑚 0,05 S/cm = 0,45 𝑉

(2.6)

Esta caída óhmica relativamente baja justifica las distancias inter-electrodos pequeñas típicas en reactores de EC (0.5 – 2.0 cm).

2.3. Mecanismos de electrocoagulación

2.3.1. Etapas del proceso

El proceso de electrocoagulación comprende cuatro etapas secuenciales, pero parcialmente solapadas (Moussa, 2017):

1. Generación electrolítica del coagulante: En el ánodo de sacrificio (típicamente Al o Fe),

ocurre la oxidación del metal. Los cationes metálicos liberados actúan como coagulantes al hidrolizarse en el medio acuoso.

2. Hidrolisis y formación de hidróxidos metálicos: Los cationes Al3+ o Fe2+/Fe3+ reaccionan

con agua y especies hidroxilo formando una serie de hidróxidos, hidróxidos complejos y poli hidróxidos dependiendo del pH. El hidróxido de aluminio amorfo (Al (OH)3) es la especie coagulante primaria efectiva en el rango de pH 6 – 8 (Moussa, 2017), donde su solubilidad es mínima según el diagrama de Pourbaix. A pH 4 predomina Al3+ soluble (no coagula), y a pH 9 predomina el anión aluminato Al (OH)4- soluble (tampoco coagula).

3. Coagulación y neutralización de cargas: Los hidróxidos metálicos formados son especies

catiónicas que neutralizan las cargas negativas superficiales de las partículas coloidales suspendidas en el agua (que típicamente presentan potencial zeta negativo). Esta neutralización desestabiliza los coloides, permitiendo su agregación. Simultáneamente ocurre el mecanismo de “barrido” (Dissanayaka Mudiyanselage, 2022): los flóculos de hidróxido precipitante atrapan físicamente partículas suspendidas, contaminantes disueltos, y potencialmente iones mediante adsorción superficial.

4. Electroflotación: En el cátodo se genera hidrógeno gas; las microburbujas de H2 (diámetro

típico 20–100 µm) (Moussa, 2017) ascienden por flotación, arrastrando los flóculos de hidróxido con contaminantes adsorbidos hacia la superficie del reactor, donde forman una capa de espuma que puede retirarse mecánicamente. Este proceso de Electroflotación reemplaza la sedimentación gravitatoria tradicional, reduciendo los tiempos de separación.

2.3.2. Reacciones competitivas en agua de mar

En presencia de alta concentración de cloruros (19.35 g/L en agua de mar), ocurren reacciones electroquímicas competitivas que afectan la eficiencia de corriente faradaica para la generación del coagulante:

Evolución de cloro (CER): A potenciales anódicos elevados, los iones cloruro se oxidan formando cloro gas:

2Cl− → Cl2(g) +2e− E0 = +1,36V

(2.7)

El cloro se hidroliza rápidamente en medio acuoso:

Cl2 +H2O ↔ HOCl +H+ + Cl−

(2.8)

HOCl ↔ H+ + OCl− (pKa =7,5)

(2.9)

El ácido hipocloroso (HOCl) y el ion hipoclorito (OCl-) son potentes desinfectantes, lo cual es beneficioso para la calidad microbiológica del agua tratada. Sin embargo, la generación de cloro consume electrones que no se emplean en disolver el electrodo de aluminio, reduciendo la eficiencia de corriente para la generación del coagulante.

Pasivación del ánodo (Afiatun, 2025): En aluminio, se forma naturalmente una capa de óxido de aluminio (Al2O3) pasivante. Aunque los iones cloruro rompen esta capa mediante corrosión por picaduras (Afiatun, 2025), este proceso puede ser no uniforme, resultando en zonas del electrodo con disolución acelerada y otras prácticamente inertes.

Precipitación de sales insolubles: Los cationes Ca2+ y Mg2+ presentes en agua de mar pueden precipitar como carbonatos, hidróxidos o sulfatos en el cátodo donde el pH local aumenta significativamente debido a la generación de OH-:

Ca2+ +CO32− →CaCO3(s) ↓

(2.10)

Mg2+ +2OH− →Mg (OH)2(s) ↓

(2.11)

Estos depósitos calcáreos en el cátodo aumentan la resistencia eléctrica de la celda incrementando el voltaje requerido y el consumo energético. La reversión periódica de polaridad (alternar ánodo y cátodo) puede mitigar este problema, pero añade complejidad al sistema de control.

2.4. Parámetros operativos en electrocoagulación

2.4.1. Material del electrodo

Los materiales más comúnmente empleados como nodos de sacrificio son el aluminio y el hierro (Al-Rubaye, 2024), seleccionados por su disponibilidad comercial, costo relativamente bajo, y eficacia demostrada en generar coagulantes efectivos. La Tabla 2.2 presenta una comparación de características relevantes.

Tabla 2.2 Comparación de electrodos de aluminio vs. hierro en electrocoagulación

Nota: Tabla realizada por las autoras del proyecto.

Para agua de mar, el aluminio presenta ventajas en términos de la apariencia estética del agua tratada (no genera coloración) y la producción de flóculos menos densos que facilitan la flotación. Sin embargo, es más susceptible a corrosión por picaduras en presencia de altas concentraciones de cloruros.

2.4.2. Densidad de corriente

La densidad de corriente (j, expresada en mA/cm2) es el parámetro operativo más influyente en el desempeño del proceso de EC (Al-Rubaye, 2024), ya que determina directamente la tasa de generación del coagulante según la ley de Faraday (Ec. 2.3). Valores típicos reportados en literatura para tratamiento de agua varían entre 5 – 50 mA/cm2.

Efecto de densidades de corriente bajas (5 mA/cm2): La generación del coagulante es insuficiente, resultando en tiempos de tratamiento excesivamente largos (120 min) para alcanzar eficiencias de remoción aceptables.

Efecto de densidades de corriente moderadas (10–20 mA/cm2): Representa el rango óptimo donde se balancea una generación adecuada de coagulante, tiempos de tratamiento razonables (30–60 min), y consumo energético moderado.

Efecto de densidades de corriente altas (30 mA/cm2): Aunque aceleran la generación del coagulante, provocan efectos adversos: calentamiento excesivo del electrolito por efecto Joule (Q = I2Rt), generación excesiva de burbujas de gas que interfieren con el contacto electrodoelectrolito, y aumento desproporcionado del consumo energético sin mejoras significativas en remoción.

2.4.3. Tiempo de tratamiento

El tiempo de retención hidráulica (t) en el reactor afecta la extensión de las reacciones electroquímicas y los procesos de coagulación - floculación -flotación. Existe un tiempo óptimo característico para cada combinación de densidad de corriente y tipo de agua a tratar: -Tiempos insuficientes (20 min): No permiten la formación, crecimiento y floración completa de flóculos, resultando en agua tratada con turbidez residual significativa.

-Tiempos excesivos (90 min): Pueden provocar redisolución de flóculos debido al aumento progresivo del pH por acumulación de OH-, además de incrementar innecesariamente el consumo energético y de electrodo sin mejoras en remoción.

2.4.4. Distancia inter-electrodos

La separación entre ánodo y cátodo (d) afecta directamente la caída de potencial óhmico según la Ec. 2.5. Distancias mayores incrementan la resistencia eléctrica, el voltaje de celda requerido, y por tanto el consumo energético.

Sin embargo, distancias extremadamente pequeñas (0.5 cm) pueden provocar: cortocircuitos por contacto directo entre electrodos debido a deformaciones térmicas, obstrucción del flujo de electrolito entre placas, y dificultad para que las microburbujas de H2 asciendan libremente. La literatura recomienda distancias de 1.0–2.0 cm como compromiso óptimo (Al-Rubaye, 2024) (Moussa, 2017)entre resistencia eléctrica y factibilidad constructiva. Para este proyecto se adoptó d = 1,5 cm.

2.4.5. pH del medio

El pH afecta la especiación de los hidróxidos metálicos y por tanto la eficiencia de coagulación. Para aluminio, el rango óptimo es pH 6.0 – 8.0 donde la solubilidad del Al (OH)3 es mínima. Afortunadamente, el agua de mar presenta pH natural 8.0–8.3, dentro del rango favorable. Durante el proceso de EC, el pH tiende a incrementarse debido a la generación catódica de OH-. En sistemas sin control de pH, se han reportado aumentos de 1-2 unidades de pH durante tratamientos de 60 min (Moussa, 2017).

2.5. Tecnologías convencionales de desalinización

Para contextualizar la relevancia de la electrocoagulación, es fundamental comprender las tecnologías convencionales dominantes en el mercado global de desalinización.

2.5.1. Ósmosis inversa (RO)

La ósmosis inversa es la tecnología de desalinización más ampliamente implementada a nivel mundial, representando aproximadamente el 65% de la capacidad instalada global (Alshrefy, 2025). Opera mediante el principio de filtración por membranas semipermeables que permiten el paso selectivo de moléculas de agua mientras retienen sales disueltas cuando se aplica presión superior a la presión osmótica del agua salada.

Para agua de mar con TDS de 35,000 mg/L, la presión osmótica teórica es aproximadamente 28 bares (según la ecuación de van’t Hoff). Los sistemas comerciales de RO para agua de mar operan típicamente a presiones de 55–70 bar para superar la presión osmótica y lograr flujos de permeado aceptables.

Ventajas de RO:

-Excelente remoción de sales (99% de TDS), produciendo agua con 500 mg/L TDS apta para consumo humano directo.

-Remoción simultánea de bacterias, virus y contaminantes orgánicos. -Tecnología madura con décadas de desarrollo y optimización.

-Modular y escalable desde plantas pequeñas (1 m3/día) hasta mega - plantas (500,000 m3/día).

Desventajas de RO:

-Alto consumo energético (3.5–5.0 kWh/m3 para agua de mar incluso con sistemas de recuperación de energía).

-Costos de capital elevados debido a bombas de alta presión, sistemas de pretratamiento extensivo, y membranas especializadas.

-Susceptibilidad al ensuciamiento por materia orgánica, inorgánica, coloidal y biológica, requiriendo pretratamiento exhaustivo y limpiezas químicas frecuentes (cada 3–6 meses). -Generación de salmuera concentrada (60–70 g/L TDS) que requiere disposición ambiental mente responsable.

-Reemplazo periódico de membranas (vida útil 3–7 años) con costos de USD $20–50/m2. El costo nivelado del agua producida por RO de agua de mar en plantas de mediana-gran escala (10,000 m3/día) varía entre USD $0.50–$1.00/m3, pero puede exceder USD $2.00/m3 en sistemas pequeños descentralizados debido a economías de escala desfavorables.

2.5.2. Destilación multiefecto (MED)

La destilación multiefecto es una tecnología térmica que evapora agua de mar mediante calentamiento, condensa el vapor para obtener agua destilada, y reutiliza el calor latente de condensación en múltiples etapas (efectos) para mejorar la eficiencia energética. Es la segunda tecnología más común a nivel global, predominante en Medio Oriente donde hay disponibilidad de calor residual de plantas de generación eléctrica (cogeneración).

Ventajas de MED:

-Produce agua de muy alta pureza (10 mg/L TDS).

-No utiliza membranas susceptibles a ensuciamiento.

-Eficaz aprovechando calor residual industrial, mejorando la viabilidad económica.

Desventajas de MED:

-Alto consumo térmico (50–80 kWhth/m3) y/o consumo eléctrico equivalente de 8–15 kWhe/m3 si el calor se genera mediante resistencias eléctricas.

-Costos de capital muy elevados (30–50% superiores a RO). -Formación de incrustaciones de CaCO3, CaSO4 y Mg (OH)2 en superficies de intercambio térmico, requiriendo pretratamiento químico extensivo y limpiezas frecuentes. -Corrosión acelerada de equipos metálicos por agua de mar caliente, requiriendo materiales especializados (aleaciones de titanio, acero inoxidable súper - austenítico).

2.5.3. Electrodiálisis (ED)

La electrodiálisis es una tecnología electroquímica que emplea membranas de intercambio iónico selectivas (catiónicas y aniónicas alternadas) y un campo eléctrico aplicado para transportar iones desde el agua salada hacia compartimentos de concentrado, desalando el agua en compartimentos intermedios. Es económicamente viable principalmente para agua salobre (TDS 10,000 mg/L), menos competitiva para agua de mar.

Ventajas de ED:

-Consumo energético inferior a RO para agua salobre (0.5–2.5 kWh/m3). -Opera a presión atmosférica, sin bombas de alta presión. -Menos susceptible a suciedad que RO para ciertas calidades de agua.

Desventajas de ED:

-Ineficaz para alta salinidad (agua de mar), requeriría múltiples etapas con costos prohibitivos. -Membranas de intercambio iónico costosas (USD $100–200/m2). -No remueve contaminantes no iónicos (materia orgánica, bacterias).

2.6. Estado del arte en electrocoagulación para desalinización

2.6.1. Estudios recientes (2024-2026)

Osra (Osra, 2025) Desalinización directa de agua de mar: Este estudio publicado en el Journal of Umm Al-Qura University representa el trabajo más relevante y controversial para esta tesis. Osra reporta eficiencias de remoción sorprendentemente altas empleando electrodos de hierro en configuración monopolar.

-Cloruros: 92.01% de remoción (de 19,450 a 1,554 mg/L) -Sulfatos: 90.89% de remoción (de 2,710 a 247 mg/L) -Calcio: 94.21% de remoción (de 412 a 24 mg/L) -TDS total: 90.1% de remoción (de 35,020 a 3,467 mg/L).

Estas remociones se lograron operando a 2 A (densidad de corriente 5 mA/cm2 para electrodos de 400 cm2) durante 80 minutos, con distancia inter-electrodos de 1.5 cm y pH inicial de 8.0. El autor propone que los mecanismos incluyen: precipitación de sales como hidróxidos y oxihidróxidos mixtos de hierro-calcio-magnesio, adsorción de iones sobre flóculos de Fe (OH)3, y potencialmente electrodeposición de sodio metálico en el cátodo (aunque termodinámicamente improbable).

La importancia crítica de validar estos resultados radica en sus implicaciones: si la EC puede efectivamente reducir el TDS de 35,000 a 3,500 mg/L, se posicionaría como pretratamiento ideal para RO (reduciendo presión requerida a 4 bar) o incluso como tecnología independiente para producir agua de uso agrícola o industrial.

Afiatun et al. (Afiatun, 2025)- Agua salobre en Indonesia: Este estudio en agua costera salobre (TDS inicial 3,400 mg/L) con electrodos de aluminio a 10 V reporta resultados más conservadores: reducción de TDS de solo 8.5% (de 3,400 a 3,110 mg/L). Los autores atribuyen la baja eficiencia a: corrosión por picaduras acelerada del aluminio en presencia de cloruros, formación de capa pasivante de Al2O3, y posible redisolución de flóculos debido a tiempo de tratamiento excesivo (90 min) que elevó el pH a 9.8.

La conclusión del estudio es que la EC sola es insuficiente para desalinización significativa, pero efectiva como pretratamiento para remoción de turbidez (98.2%), materia orgánica (DQO reducida 87.3%) y color (94.5%).

Alshrefy et al. (Alshrefy, 2025) Pretratamiento para RO: Esta revisión exhaustiva publicada en Sustainable Engineering and Technological Sciences posiciona la EC como el pretratamiento óptimo para proteger membranas de RO contra suciedad. Los autores comparan EC con ultrafiltración (UF) y coagulación química, concluyendo que la EC es superior en: -Remoción de materia orgánica natural (NOM) que causa de ensuciamiento orgánico: EC remueve 85–95% de carbono orgánico disuelto (DOC) vs. 60–75% para coagulación química.

-Desinfección integrada mediante generación de cloro activo (HOCl/OCl-), alcanzando inactivación 4 - log de E. coli.

-Menor producción de lodos: 50–70% menos volumen que coagulación química con dosis equivalente de coagulante.

Lugo et al. (Lugo, 2025) Evaluación tecno-económica: Este estudio del NREL (National Renewable Energy Laboratory, EE.UU.) proporciona datos económicos valiosos sobre EC para tratamiento de salmueras de RO:

-Consumo energético específico: 1.03 kWh/m3 (para TDS de 8,000 mg/L) -Costo de capital (CAPEX): USD $180,000 para sistema de 100 m3/día -Costo operativo (OPEX): USD $0.45/m3, del cual 65–87% corresponde a reemplazo de electrodos -Costo nivelado del agua (LCOW): USD $0.68/m3 El estudio concluye que la combinación EC + intercambio iónico (IX) es la configuración más costo-efectiva para control de incrustaciones en sistemas de tratamiento de salmueras.

Capítulo 3 Metodología y Experimento Este capítulo describe detalladamente el diseño experimental, la construcción del reactor de electrocoagulación, los materiales y equipos utilizados, los procedimientos experimentales, y los métodos analíticos empleados para caracterizar las muestras antes y después del tratamiento.

Metodología Fase 1: Revisión teórica.

• Se investigó las bases teóricas y operativas, sobre el proceso de electrocoagulación y su

aplicación en los procesos de desalinización, con el fin de conocer sus ventajas frente a otras tecnologías utilizadas actualmente y sustentar su viabilidad como método alternativo.

Fase 2: Diseño de prototipo experimental.

• Se evaluaron y seleccionaron combinaciones óptimas de materiales conductores, sus

geometrías y condiciones eléctricas, considerando variables como voltaje, densidad de corriente, conductividad, tipo de conexión y distancia entre electrodos.

• Se adaptó el modelo de celda diseñado para su implementación en ensayos experimentales de

laboratorio, garantizando su operatividad bajo distintos niveles de salinidad y parámetros controlados.

Fase 3: Etapa experimental.

• Se caracterizaron las muestras de agua salada mediante un análisis fisicoquímico en

laboratorio, identificando parámetros iniciales relevantes como determinación de cloruros, sodios, turbidez, conductividad eléctrica y pH.

• Se pusó en marcha la celda de electrocoagulación, con el propósito de analizar su

comportamiento y comprobar si es eficiente para la desalinización.

Fase 4: Análisis de resultados.

• Se realizó nuevamente el análisis fisicoquímico de la muestra tratada después de poner en

marcha el prototipo, comparándolo con los datos iniciales para evaluar la eficiencia de la remoción de sales y otros parámetros.

• Se analizaron los resultados experimentales obtenidos y el desempeño del sistema, para

identificar posibles mejoras en el diseño o en las condiciones operativas, que mejoren su eficiencia y funcionalidad.

• Se estableció si los resultados obtenidos fueron satisfactorios, y en base en esto, se evaluó la

viabilidad de implementar el sistema en una comunidad que enfrente limitaciones de acceso al agua.

3.1. Diseño del reactor de electrocoagulación

3.1.1. Especificaciones del diseño

Se diseñó un reactor de electrocoagulación con las siguientes especificaciones técnicas:

• Volumen de operación: 2 litros

• Material de la celda: Vidrio sodocálcio resistente a la corrosión

• Dimensiones internas: 10 cm (largo) × 11 cm (ancho) × 22 cm (alto)

• Configuración de electrodos: Monopolar paralela

• Número de electrodos: 6 placas (3 ánodos + 3 cátodos intercalados)

• Dimensiones de cada electrodo: 17 cm × 9 cm × 0.2 cm (área activa sumergida: 153 cm2

por placa)

• Distancia inter-electrodos: 1.5 cm

• Fuente de alimentación: BK Precisión 1761-Fuente de alimentación DC triple de

laboratorio (0 – 35V, 5 A x2 + 2.6 – 6.5 V, 5 A), precisión del display ± (0.5% + 2 dígitos).

3.1.2. Materiales de construcción

Electrodos: Se evaluaron dos materiales:

1. Aluminio: Láminas de aleación 1100 (99% Al mínimo), calibre 14 (espesor 1.98 mm),

adquiridas comercialmente en Pereira. Propiedades: densidad 2.71 g/cm3, conductividad eléctrica 37.7 MS/m, resistencia a la tracción 90 MPa.

2. Acero inoxidable: Láminas AISI 304 (composición: 18% Cr, 8% Ni, balance Fe), calibre 14,

utilizadas exclusivamente como cátodos inertes. Propiedades: densidad 8.00 g/cm3, conductividad eléctrica 1.4 MS/m, resistencia a la corrosión superior al aluminio.

Soportes y sujeción: Para garantizar la correcta alineación y separación uniforme entre los electrodos, se diseñó un sistema de soporte fabricado a partir de un tubo comercial de policloruro de vinilo (PVC) de 3 pulgadas de diámetro nominal (≈ 76 mm).

El tubo fue seccionado longitudinalmente para obtener una estructura semicilíndrica rígida que funciona como bastidor de fijación. Posteriormente, se mecanizaron ranuras paralelas equidistantes mediante herramienta rotativa (pulidora angular), con una separación centro a centro de 1,5 cm, correspondiente a la distancia inter-electrodos definida en el diseño experimental.

Conexiones eléctricas: Cable de cobre calibre 14 AWG (sección 2.08 mm2) con aislamiento de PVC resistente al agua, conectores tipo pinza de caimán con recubrimiento anticorrosivo para facilitar el montaje/desmontaje de electrodos.

3.1.4 Optimización del área electroactiva del proceso de electrocoagulación

La eficiencia de la electrocoagulación depende directamente del área superficial activa de los electrodos. Un área mayor permite una mayor generación de iones metálicos coagulantes por unidad de tiempo, lo que suele resultar en una mejora en la movilización de contaminantes (Losada, 2023). Las dimensiones seleccionadas (17cm × 9 cm × 0.2 cm) se eligieron para maximizar la superficie de reacción sin elevar excesivamente el consumo energético, lo cual es crítico en reactores de volumen reducido.

Figura 3.1 Simulación de electrodos en SolidWorks.

3.1.5. Configuración eléctrica

Se implementó una configuración monopolar en paralelo donde todos los ánodos se conectan al polo positivo de la fuente y todos los cátodos al polo negativo. Esta configuración presenta ventajas sobre la configuración en serie.

La densidad de corriente se controló mediante ajuste de la corriente total suministrada por la fuente. Para 6 electrodos con área sumergida total de 918 cm2 (3 ánodos × 96 cm2 × 2 caras), la relación entre corriente total y densidad de corriente es:

𝑗 (𝑚𝐴 𝑐𝑚2) = 𝐼𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑚𝐴)

918 𝑐𝑚2

(3.1)

Por ejemplo, para alcanzar j = 5 mA/cm2 se requiere 𝐼𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 4.59 A.

3.2. Preparación de agua sintética de mar

Debido a limitaciones logísticas para transportar y almacenar grandes volúmenes de agua de mar natural, se preparó agua sintética de mar en el laboratorio siguiendo la composición estándar ASTM D1141-98 (ASTM, 2013)(Standard Practice for the Preparation of Substitute Ocean Water).

3.2.1. Composición de la solución sintética

Para preparar 4 litros de agua sintética con salinidad de 35 g/L se disolvieron las siguientes sales analíticas (pureza 99%) en agua de la llave proveniente del acueducto de Pereira.

3.3 Material y Dimensiones de la celda

La celda de electrocoagulación fue diseñada para operación por lotes con un volumen efectivo de 2 L, valor representativo de sistemas experimentales a escala laboratorio reportados en la literatura reciente. Las dimensiones internas de la celda (10 cm × 11 cm × 22 cm) (Moussa D. T.- N., 2023). fueron determinadas en función del tamaño de los electrodos y la distancia entre los electrodos de 1,5 cm, permitiendo la inmersión completa del área activa y una distribución homogénea del campo eléctrico.

Este rango (1L – 3 L) permite:

• Control adecuado de variables operativas (densidad de corriente, tiempo, pH).

• Obtención de suficiente muestra para análisis fisicoquímicos antes y después del tratamiento.

• Minimización del consumo energético y de reactivos en etapa experimental.

Estudios recientes reportan reactores de laboratorio entre 1L y 5L para evaluación de viabilidad técnica en agua salina y aguas residuales (Nidheesh, 2023; Verma, 2022).

La celda fue fabricada en vidrio sodocálcico comercial de 4 mm de espesor, este material fue seleccionado por su estabilidad química en soluciones acuosas con alta salinidad, su carácter dieléctrico y su adecuada resistencia mecánica para contener el volumen de operación.

Figura 3.2 Simulación de la celda en Onshape

Nota. La simulación del diseño de la celda fue realizada en el software Onshape.

3.4 Montaje del reactor

Los electrodos se montaron en el soporte de PVC con distancia uniforme de 1.5 cm entre placas, con profundidad de inmersión constante de 21 cm desde el borde superior del electrodo con conexiones eléctricas firmes sin riesgo de cortocircuito y se transfirieron exactamente 2 L de agua sintética mediante probeta graduada de 1L.

3.5 Ejecución de ensayo

Figura 3.3 Montaje Inicial.

• Se tomó una muestra inicial de 2 L para análisis fisicoquímico (caracterización

pretratamiento).

Figura 3.4 Muestra inicial con salinidad al 35 g/L.

• Se encendió la fuente de alimentación y se ajustó la corriente al valor objetivo

correspondiente a la densidad de corriente del ensayo. El voltaje de celda se estabilizó típicamente después de 30-60 segundos.

Figura 3.5 Encendido de la fuente y puesta en marcha del dispositivo

• Al poner en operación la celda se observó en la fuente una corriente con muy poca

variabilidad y se percibió la aparición de las primeras burbujas de gas (H2 en cátodo).

Figura 3.6 Aparición de las primeras burbujas de gas (H2 en cátodo).

• Aparición de primeros flóculos 4 minutos después de poner la celda en operación.

Figura 3.7 Aparición de primeros flóculos después de 4 minutos de estar funcionando

• Se registró el voltaje de celda cada 15 minutos utilizando multímetro digital OWON

HDS272S (precisión ±0.5 % + 3 dígitos) conectado en paralelo con la fuente.

Figura 3.8 Celda en operación con corriente de 6,80 A y 1,8 V entregado por la fuente.

• Después de media hora de tratamiento se tomó nuevamente el voltaje, pero esta vez en

paralelo con el reactor observando una caída de tensión, esto quiere decir que el voltaje que entrega la fuente no es el mismo que recibe el reactor.

Figura 3.9 Celda en operación con corriente de 6,81 A y 1,17V

.

• Formación de flóculos después de 30 minutos de estar la celda en operación.

Figura 3.10 Flóculos formados después de 30 minutos de operación.

• Al alcanzar el tiempo de tratamiento objetivo, se apagó la fuente de alimentación

inmediatamente.

Figura 3.11 Celda en operación faltando un minuto para apagar la fuente.

• Se dejó sedimentar/flotar los flóculos durante 10 minutos.

Figura 3.12 Flóculos pasados 10 minutos después de quitar las conexiones.

• Se extrajo cuidadosamente una muestra 1,8 L de la zona media de la columna de agua

(evitando la capa de espuma superior y el sedimento del fondo) para análisis fisicoquímico (caracterización postratamiento).

Figura 3.13 Muestra final después de 60 minutos en operación.

• Por último, se tiene la muestra inicial y final, para ser llevados al laboratorio de aguas de la

universidad tecnológica de Pereira donde serán analizadas.

Capítulo 4 Análisis de Resultados Este capítulo presenta los resultados experimentales obtenidos durante la evaluación del sistema de electrocoagulación, su análisis crítico, y la identificación de las condiciones operativas óptimas para la desalinización de agua de mar sintética.

4.1 Resultados muestra inicial

Tabla 4.1 Variables tomadas a muestra inicial de agua

Nota: Tabla elaborada por laboratorio de análisis de aguas y alimentos – informe de ensayo N° 1260/26

4.2 Resultados muestra final

Tabla 4.2 Variables tomadas a muestra final de agua.

Nota: Tabla elaborada por laboratorio de análisis de aguas y alimentos – informe de ensayo N° 1261/26

Tabla 4.3 Tabla comparativa de parámetros antes y después del ensayo.

Nota: Tabla elaborada por las autoras del proyecto.

4.3. Eficiencia de remoción

A partir de los resultados fisicoquímicos obtenidos antes y después del tratamiento por electrocoagulación, se calcularon las eficiencias de remoción para cada parámetro analizado, utilizando la siguiente expresión:

% Er = [(C₀ − Cf) / C₀] × 100

(3.2)

Donde, C₀ = concentración inicial Cf = concentración final tras el tratamiento.

Er= eficiencia de remoción.

4.3.1 Determinación de pH: El pH aumentó de 7.00 a 7.37 unidades, manteniéndose dentro del rango permitido (6.5–9.0) por la normativa colombiana vigente (Resolución 2115/ 2007). Este incremento no representa una variable de remoción sino un indicador de las reacciones electroquímicas en curso, particularmente la generación de OH⁻ (ion hidróxido) en el cátodo durante la reducción del agua.

4.3.2 Determinación de la reducción de conductividad: La conductividad eléctrica disminuyó de 58.5 µS/cm a 45.3 µS/cm, lo que representa una eficiencia de remoción del 22.5%. Esta reducción refleja una disminución en la concentración global de iones disueltos en solución, producto de su adsorción sobre los flóculos de hidróxido de aluminio generados electroquímicamente.

% Er = [(58,5 − 45,3 / 58,5] × 100 = 22,5%.

4.3.3 Determinación de Turbiedad: Este parámetro presentó un comportamiento inverso, incrementándose de 8.8 NTU a 850 NTU. Este aumento no está asociado a un error del proceso, sino a una consecuencia directa de la formación de flóculos de Al (OH)₃ en suspensión, los cuales no alcanzaron a sedimentar o flotar completamente durante el período de reposo de 10 minutos propuesto. En consecuencia, la eficiencia de remoción de turbiedad no es posible calcularse para este parámetro.

4.3.4 Determinación de la reducción de Cloruro (Cl⁻): Se registró una reducción de 22660 mg Cl⁻/L a 17256 mg Cl⁻/L, correspondiente a una eficiencia de remoción del 23.8%. Si bien esta disminución es estadísticamente significativa para un tiempo de tratamiento de 30 minutos, la concentración final supera ampliamente el límite máximo permisible de 250 mg Cl⁻/L establecido por la Resolución 2115 de 2007, lo que indica que la electrocoagulación, como proceso unitario independiente, no es suficiente para alcanzar los criterios de potabilización en cuanto a contenido de cloruros como era de esperarse.

4.3.5 Determinación de la reducción de Coliformes totales y Escherichia coli: Ambos

parámetros microbiológicos registraron valores inferiores al límite de detección del método (<1 UFC/100 mL) tanto en la muestra inicial como en la final. Dado que el agua empleada fue sintética y preparada en condiciones de laboratorio, la ausencia de carga microbiana era esperada, por lo que este resultado no permite evaluar la capacidad desinfectante del proceso en las condiciones del ensayo.

4.3.5 Determinación de la reducción de Sodio total (Na⁺): La concentración de sodio

disminuyó de 16.17 mg Na/L a 12.31 mg Na/L, equivalente a una eficiencia de remoción del 23.9%, proporcional a la obtenida para el ion cloruro, lo cual es coherente con el comportamiento conjunto de los iones Na⁺ y Cl⁻ como par iónico predominante en la solución salina tratada.

Capítulo 5 Conclusiones Se diseñó y desarrolló satisfactoriamente un sistema de desalinización de agua de mar basado en la técnica de electrocoagulación, abarcando desde el diseño conceptual de la celda electroquímica hasta su construcción y puesta en operación a escala de laboratorio. El prototipo, construido con materiales de acceso comercial y bajo criterios de ingeniería, demostró estabilidad operativa y funcionalidad desde los primeros minutos de operación, validando la viabilidad técnica del proceso como punto de partida para el estudio de la desalinización por electrocoagulación a mayor escala.

El proceso de electrocoagulación generó remociones consistentes entre el 22% y el 24% en los parámetros iónicos evaluados durante 60 minutos de tratamiento, con reducciones de 22,660 a 17,256 mg/L en cloruro, de 16.17 a 12.31 mg/L en sodio y de 58.5 a 45.3 µS/cm en conductividad eléctrica. Estos resultados confirman que el proceso es capaz de reducir la salinidad del agua de manera cuantificable desde una única etapa de operación.

El incremento de turbiedad de 8.8 a 850 NTU evidenció que la electrocoagulación requiere una etapa complementaria de separación sólido-líquido, ya sea por sedimentación prolongada o filtración, para obtener agua clarificada apta para caracterización final.

Los resultados obtenidos demuestran que la electrocoagulación reduce de manera considerable la salinidad del agua de mar en una única etapa de tratamiento, produciendo agua con características aprovechables para usos alternativos en regiones costeras o insulares donde el

acceso al recurso hídrico es limitado. Si bien los valores finales no alcanzan los límites de potabilización establecidos por la Resolución 2115 de 2007, esto era esperado dadas las condiciones operativas del ensayo.

Frente a otras tecnologías convencionales de desalinización, la electrocoagulación presenta ventajas relevantes en términos de simplicidad constructiva, bajos costos de implementación, ausencia de químicos externos y operación a temperatura ambiente, lo que la posiciona como una alternativa energéticamente accesible y ambientalmente sostenible, especialmente en contextos costeros o insulares donde la infraestructura tecnológica y los recursos económicos son limitados, representando una línea de investigación con alto potencial de impacto social y ambiental en el país.

Referencias Afiatun, E. L. (2025). The Effectiveness of the Electrocoagulation Process in Reducing TDS Concentration in Brackish Water in Subang Regency. Journal of Community Based Environmental Engineering and Management, 9(2), 98-106.

Agua, O. (2023). Water scarcity. United Nations Water. https://www.unwater.org/waterfacts/water-scarcity.

Al-Rubaye, S. F.-A. (2024). Factors Affecting Electrocoagulation Process for Different Water Types: A Review. Al-Khwarizmi Engineering Journal, 20(3), 45-62. Alshrefy, Z. A.-A. (2025). Review of Pretreatment of Reverse Osmosis Seawater Desalination. Sustainable Engineering and Technological Sciences, 1(1), 21-33. ASTM. (2013). ASTM D1141-98(2013): Standard Practice for the Preparation of Substitute Ocean Water. West Conshohocken, PA: ASTM.

Bard, A. J. (2022). Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, 3rd Edition. Hoboken. NJ: John Wiley & Sons.

Dissanayaka Mudiyanselage, C. (2022). A Novel ModelforElectrocoagulation Reactors: Process Based Approach to Address the Design and Scale-up Issues. Liverpool John Moores University, UK.

Instituto de Hidrología, M. y.-I. (2022). Estudio Nacional del Agua 2022. Bogotá, Colombia:

IDEAM.

Losada, A. I. (2023). Surface area effects on electrocoagulation performance in saline wastewater treatment. . Journal of Electrochemical Engineering, 40(2), 118–129. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2023.118129Journal of Electrochemical Engineering, 40(2), 118–129. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2023.118129.

Lugo, A. C.-L. (2025). Technical, Economic, Energetic, and Environmental Evaluation of Pretreatment Strategies Water, 17(5), 708. https://doi.org/10.3390/w17050708. Scaling Control in Brackish Water Desalination Brine Treatment. .

Moussa, D.-N.-M. (2017). A comprehensive review of lectrocoagulation for water treatment: Potentials and challenges. Journal of Environmental Management, 186(1), 24-41. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2016.10.

Osra, F. A. (2025). Evaluation the effectiveness of the electrocoagulation technique for seawater desalination. Journal of Umm Al-Qura University for Engineering and Architecture, 16(1), 45-58. https://doi.org/10.1007/s43995-025-00105-4.

Pletcher, D. W. (1993). Industrial Electrochemistry, 2nd Edition. Dordrecht: Springer Netherlands.

UNESCO. (2023). Riesgo inminente de una crisis mundial del agua. Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura. https://www.unesco.org/es/articles/riesgo-inminente-de-una-crisis-mundial-del-aguaunesco/onu-agua.

Vacía, L. s. (2023). Todo lo que debe saber sobre el agua en Colombia. https://www.lasillavacia.com/especiales/todo-lo-que-debe-saber-sobre-el-agua-encolombia/.