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Exploración de posibilidades de generación de energía eléctrica a partir de lixiviados
procedentes de residuos sólidos orgánicos.
Andrés Felipe Sora Martinez.
Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales.
Gestión Ambiental y Servicios Públicos.
Bogotá D.C
2015
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Exploración de posibilidades de generación de energía eléctrica a partir de lixiviados
procedentes de residuos sólidos orgánicos.
Andrés Felipe Sora Martinez.
Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar al título de
Tecnólogo en Gestión Ambiental y Servicios Públicos.
Directora
Vilma Hernández Montaña.
Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales.
Gestión Ambiental y Servicios Públicos.
Bogotá D.C
2015
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Agradecimientos.
A todas las personas que estuvieron apoyándome durante
todo el proceso de mi carrera, a mis padres Claudia y Rodrigo,
a mis compañeros, a la universidad Distrital y su cuerpo docente
por entregarme el conocimiento y a la profesora Vilma
por darme las bases científicas para hacer esto posible.
Un saludo al más allá para unos de los grandes que siempre luchó
por la autonomía energética y murió sin ver este legado cumplirse
Nikola Tesla.
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Resumen
En el presente proyecto se desarrolló un esquema experimental, para lograr la obtención de
energía eléctrica a partir de lixiviados procedente de residuos orgánicos y materiales
reciclados, que cuenta con tres fases, en la primera se obtuvieron los componentes necesarios
para el funcionamiento del sistema, para lo cual primero se produjo un lixiviado con cierto
grado de control a partir de residuos orgánicos, otra de las partes de este método de generación
de energía eléctrica son los electrodos, los cuales interactúan de manera importante en el
sistema, para lo cual se experimentaron con dos tipos, clasificados según su procedencia, unos
adquiridos comercialmente y otros a partir de materiales reciclados, en la segunda fase se
realizo una caracterización primaria a los materiales, en donde a los lixiviados se les realizó
pruebas físico-químicas para evaluar la capacidad electrolítica y la eficiencia en la generación
de energía con respecto a la variable tiempo de descomposición; para lo cual se realizo un
montaje piloto lo cual permitió observar de igual forma los cambios con respecto a los
electrodos utilizados , en la tercera fase se realizó un montaje mejorando las falencias del
anterior sistema observado, evaluando más detalladamente los cambios y producción de
energía eléctrica en el sistema, observando la capacidad de utilización en fuentes de
iluminación; por último, los residuos obtenidos por el sistema utilizado en la última fase,
fueron evaluados a través de la observación teórica de los subproductos generados,
determinando así posibilidad de ser utilizado en procesos de compostaje y su capacidad de
degradación en el medio ambiente; por último se realizaron las respectivas conclusiones
acerca del proyecto.
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TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 8
2. OBJETIVOS ......................................................................................................................... 9
2.1. OBJETIVO GENERAL: ........................................................................................................ 9
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. .................................................................................................. 9
3. JUSTIFICACIÓN............................................................................................................... 10
4. MARCO REFERENCIAL. ............................................................................................... 11
4.1. FUNDAMENTOS ELECTROQUÍMICOS. ............................................................................... 11
4.1.1. Electrolitos. ............................................................................................................ 13
4.1.2. Electrodos. .............................................................................................................. 14
4.2. CINÉTICA DE LA ELECTROQUÍMICA. ................................................................................ 15
4.3. FUNCIONAMIENTO DE GENERADORES ELÉCTRICOS PRIMARIOS, CELDAS GALVÁNICAS. ... 17
4.4. LIXIVIADO. ..................................................................................................................... 18
4.5 MARCO NORMATIVO AMBIENTAL. .................................................................................. 19
4.5.1. Residuos líquidos y vertimientos. ........................................................................... 19
4.5.2. Residuos Sólidos. .................................................................................................... 20
4.5.3 Uso Eficiente y Ahorro de la Energía. .................................................................... 20
4.5.4. Norma Sanitaria y Ambiental. ................................................................................ 21
5. ESTADO DEL ARTE. ....................................................................................................... 22
5.1. ENERGÍAS RENOVABLES. ................................................................................................ 22
5.2. GENERADORES PRIMARIOS BIODEGRADABLES. .............................................................. 24
5.3. TRATAMIENTO DE LIXIVIADOS. ...................................................................................... 25
6. PROCESO METODOLÓGICO. ...................................................................................... 26
6.1. DESCRIPCIÓN GENERAL. ................................................................................................. 26
6.2. MODELO EXPERIMENTAL. ............................................................................................... 26
6.2.1. Hipótesis Experimental. ......................................................................................... 26
6.2.2. Variables Experimentales. ...................................................................................... 27
6.3. FASES. ............................................................................................................................ 28
6.3.1. Obtención de materiales y caracterización física. ................................................. 28
6.3.2. Pruebas básicas del sistema de generación piloto. ................................................ 29
6.3.3. Montaje del Sistema de Generación. ...................................................................... 31
7. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS......................................................... 32
7. 1. CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS GENERADORES DEL LIXIVIADO. .. 32
7. 2. CARACTERIZACIÓN FISICOQUÍMICA DE LIXIVIADOS. ...................................................... 33
7. 3. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA. .......................................................................... 35
7. 4. MONTAJE FINAL DEL SISTEMA. ...................................................................................... 36
7. 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS. ............................................................................................ 38
7. 6. IMPACTOS AMBIENTALES. .............................................................................................. 40
8. CONCLUSIONES. ............................................................................................................. 42
9. BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................................... 44
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Indicé de Figuras
Figura No 1 Recolección de lixiviados. ................................................................................... 28
Figura No 2 Zinc y Cobre. ……………………………………………………….. ................. 29
Figura No 3 Electrodos de elementos reciclados. .................................................................... 29
Figura No 4 Esquema montaje piloto simple. .......................................................................... 30
Figura No 5 Montaje preliminar, sin puentes salinos ni electrodos. ........................................ 31
Figura No 6 Parámetros Fisicoquímicos con respecto a tiempo de degradación. .................... 34
Figura No 7 Montaje final del sistema. .................................................................................... 37
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Indicé de tablas
Tabla No 1 Porcentaje de biomasa según su procedencia. ....................................................... 32
Tabla No 2 Parámetros físicoquímicos..................................................................................... 33
Tabla No 3 Producción de energía. .......................................................................................... 35
Tabla No 4 Componentes por celda. ........................................................................................ 36
Tabla No 5 Potencial de generación. ........................................................................................ 37
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1. Introducción
La generación de lixiviados procedentes de residuos sólidos ocasiona altas cargas
contaminantes para el medio ambiente, en donde la mezcla de muchos tipos de lixiviados crea
diferentes compuestos que, según su manejo, pueden llegar a causar afectación a acuíferos
subterráneos provocando contaminación en los sistemas hídricos, los tratamientos realizados
a estos residuos líquidos son complejos, de altos costos y en muchos casos no se realiza un
aprovechamiento real a los mismos, incurriendo en pérdidas de energía y de recursos; de
igual manera también se puede evidenciar que la contaminación generada por fuentes de
energía eléctrica, como algunos generadores primarios, los cuales utilizan para la producción
de energía eléctrica diferentes ácidos y elementos químicos, presentan altos grados de
contaminación, especialmente cuando no se les realiza una disposición adecuada , en donde
estas sustancias utilizadas, al no ser biodegradables, pueden causar afectación al medio
ambiente, y como son de fácil acceso en el mercado , son fuentes de energía de uso masivo;
también se puede encontrar que existen otras opciones que son amigables con el medio
ambiente la mayoría de estas presentan altos costos en comparación con las convencionales.
Toda esta problemática anteriormente mencionada causa varios inconvenientes a nivel
económico, energético y por sobre todo ambiental; es por eso que a través de este proyecto se
propone un método de aprovechamiento de estos residuos líquidos, que garantiza su uso
productivo y disminuye los impactos ambientales, esto es posible a partir de la transformación
y uso, del mismo, en la generación de energía eléctrica, para lo cual a partir de un modelo de
celda galvánica, se utilizaron los lixiviados y algunos metales ,provenientes de residuos
sólidos, como componentes de un modelo de sistema de generación.
Este es un proyecto diseñado para ser aplicado a pequeña escala, pensando en la
posibilidad de generar energía eléctrica desde los hogares, acogiéndose a un modelo sostenible
con el medio ambiente, es por eso que se idearon maneras de utilizar materiales de fácil
acceso y bajo costo, con el fin de que este sistema sea utilizado para diferentes usos en la vida
diaria, como fuentes de iluminación o la carga de pequeños equipos electrónicos.
Por último se resaltan los múltiples beneficios económicos, sociales y por sobre todo
ambientales, teniendo en cuenta que existen en el mercado baterías orgánicas que ,aunque son
una fuente energía beneficios a nivel ambiental, la producción de estas es muy escasa y se
encuentran dirigidas a un mercado muy pequeño, sin contar los altos costos que estas
representan, la generación de energía eléctrica producida a partir de lixiviados, procedentes de
residuos sólidos orgánicos, no tiene ese inconveniente ya que generan energía a muy bajos
costos, con la posibilidad de poder utilizar muchos de los subproductos generados, en su
producción, para otros usos secundarios, obteniendo el beneficio de la alta biodegradabilidad
de las baterías orgánicas y los bajos costos de las baterías alcalinas convencionales; también
se puede observar que los lixiviados de origen orgánico al combinarse con otros tipos de
lixiviados generan otras sustancias altamente contaminantes , esto resulta en que si se hace
una separación en la fuente de estos residuos se puede evitar la altas concentraciones de
componentes orgánicos con mayor grado de contaminación en los rellenos sanitarios. La
generación de energía eléctrica a partir de lixiviados brinda una solución a diferentes
problemáticas en materia de residuos y energía, la cual optimiza gran parte de los procesos
con la materia orgánica.
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2. Objetivos
2.1. Objetivo General:
Realizar una exploración para observar las posibilidades de aprovechamiento de materiales
reciclados y lixiviados, procedentes de la descomposición de materia orgánica, para la
generación energía eléctrica, teniendo en cuenta los impactos positivos generados en el
medio ambiente y sus beneficios.
2.2. Objetivos Específicos.
● Realizar una caracterización de cuatro parámetros fisicoquímicos de un
lixiviado, observando los cambios en la capacidad electrolítica en el transcurso de
un lapso de tiempo.
● Observar y realizar una exploración sobre las posibilidades de
generación de energía y de consumo de dos tipos de electrodos diferentes, uno
proveniente de elementos reciclados y otro de elementos comerciales.
● Definir los impactos ambientales que genera la obtención de energía
eléctrica a partir de lixiviados, observando teóricamente posibles usos de los
residuos finales.
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3. Justificación.
Los lixiviados de origen orgánico al combinarse con otros tipos de lixiviados generan otras
sustancias altamente contaminantes, esto resulta en que si se hace una separación en la fuente
de estos residuos se puede evitar la altas concentraciones de componentes orgánicos con
mayor grado de contaminación en los rellenos sanitarios. La generación de energía eléctrica a
partir de lixiviados brinda una solución a diferentes problemáticas en materia de residuos y
energía, la cual optimiza gran parte de los procesos con la materia orgánicas.
De igual manera se observa que las baterías orgánicas son una fuente energía eléctrica que
produce muchos beneficios a nivel ambiental, la producción de estas baterías es muy escaza y
se encuentran dirigidas a un mercado muy pequeño, sin contar los altos costos que estas
representan, la generación de energía eléctrica producida a partir de lixiviados, generados por
residuos sólidos orgánicos, no tiene ese inconveniente ya que, a partir de esta, es posible
generar energía a muy bajos costos con la viabilidad de poder utilizar muchos de los
subproductos generados, en su producción, para otros usos secundarios, obteniendo el
beneficio de la alta biodegrabilidad de las baterías orgánicas y los bajos costos de las baterías
alcalinas convencionales.
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4. Marco Referencial.
Para la realización de este proyecto se tendrán diferentes referentes desde el
funcionamiento de las baterías, pasando por los procesos químicos que la componen, hasta
procesos físicos eléctricos en el que se desarrolla la generación de la energía, de igual manera
se tendrá muy en cuenta el componente principal del proyecto el cual es el manejo de los
lixiviados, en donde el referente será las características comunes de un lixiviado y los cambios
que sufre con el paso del tiempo.
4.1. Fundamentos electroquímicos.
Las reacciones electroquímicas son procesos de tipo óxido-reducción, en las cuales, para el
caso estudiado, se genera energía eléctrica, lo cual quiere decir que se realiza una
transferencia de electrones de una sustancia a otra, esto causa una variación en su número de
oxidación en donde la sustancia que se oxida pierde electrones y la que se reduce gana
electrones. (Whitten y Gailey, 1992).
Para este caso en específico se observara las reacciones electroquímicas que ocurren en una
celda galvánica. El siguiente es el ejemplo más frecuentemente utilizado para observar las
reacciones electroquímicas:
Zn 0 + Cu(𝑎𝑐 ) 2+ → Zn(𝑎𝑐 ) 2+ + Cu 0
En esta reacción se observa como en un medio electrolítico se comportan las dos especies
observadas las cuales son Zinc y cobre, en la cual están acompañados por su estado de
oxidación y se observa un cambio en la reacción de este estado, observándose el Zinc como
agente reductor y que se oxida y el Cobre como agente oxidante el cual se reduce, esto se
puede descomponer en dos semi-reacciones las cuales serán:
Zn 0 → Zn(𝑎𝑐 ) 2+ + 2𝑒 −
Cu(𝑎𝑐 ) 2+ + 2𝑒 − → Cu 0
Para el presente proyecto se observarán estas reacciones de manera teórica utilizando
diferentes variables que dan características definitivas a los electrodos, observando
principalmente sus comportamientos en el medio electrolítico, ya que en algunos casos se
utilizarán componentes que su porcentaje de pureza no es tan alta y son aleaciones de metales
, en el caso de materiales reciclados, sólo se entenderán las reacciones dadas a nivel
electroquímico de los electrodos por la cantidad de generación de energía, lo cual se verá más
adelante. (Brown, LeMay, Burnsten y Burdge,2004)
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Las reacciones redox observadas en una celda galvánica tienen algunas características
principales que las definen como este tipo de reacción (Baeza y García, 2011), las cuales son:
● Son reacciones dadas en sistemas heterogéneos, ocurren en una fase interna
donde se presenta un conductor sólido y una disolución, la cual en diferentes casos
puede ser acuosa o no.
● No tiene un equilibrio concreto ya que toda su reacción depende de sus
componentes y el estado en el que estos se encuentran.
● Su comportamiento es unidireccional, esto quiere decir que en este tipo de
reacciones hay un flujo de electrones el cual siempre va de una especia a la otra,
cediendo electrones del ánodo al cátodo, en donde una se reduce y la otra se oxida
respectivamente.
● Ocurren en sub-celdas separadas para evitar que ocurran interferencias en las
reacciones, esto se logra a través de un medio poroso.
Se observa también que la electroquímica estudia estos procesos químicos descritos
anteriormente a través de los componentes que tiene la reacción, para esto se han descrito
algunos tipos de electrodos y electrolitos que se comportan según el sistema y a los cuales
teóricamente es posible observar su potencial de generación eléctrica.
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4.1.1. Electrolitos.
Se comenzará por una definición acerca del mismo:
Un electrolito es una solución que es capaz de transportar electrones gracias a la cantidad
de iones en el medio y la capacidad de ionizar algunas sustancias, los electrolitos y en general
las disoluciones acuosas presentan características y propiedades gracias a las cuales se puede
determinar su capacidad electrolítica, esto se observa empíricamente realizando pruebas de
eficiencia en el transporte de energía eléctrica , existen también electrolitos con mayor
capacidad en el transporte de electrones que otros y estos son llamados electrolitos fuertes,
estos presentan una mayor disociación de iones en medio acuoso, existen diferentes
clasificaciones de los electrolitos (Baeza y García, 2011), en el presente proyecto citaremos
las siguientes:
● Electrolitos verdaderos o ionóforos:
Estas son sustancias que se encuentran formadas en estado puro por iones las cuales no
necesitan interactuar con ninguna otra sustancia para estar ionizadas, los iones que las
conforman están unidos por fuerzas electroestáticas, un ejemplo claro son algunos metales
alcalinos.
● Electrolitos potenciales o ionógenos:
Son sustancias que en estado puro no se encuentran ionizadas y que por sí solas no presenta
un medio iónico, normalmente es necesario tener otra sustancia para generar un medio iónico.
Se observa que al lixiviado que se evaluara se le realizarán diferentes pruebas para
determinar la cantidad de iones que posiblemente contenga de esa manera se determinara una
cierta capacidad electrolítica, también se evidenciara posteriormente como el medio
electrolítico puede ser parte de la reacción de oxido-reducción.
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4.1.2. Electrodos.
Un electrodo es un elemento que actúa en una reacción electroquímica de tipo redox en el
cual toma un papel de reductor u oxidador y se comporta o bien cediendo electrones o bien
obteniéndolos, normalmente son metales y se pueden clasificar en tres tipos de electrodos
según el estado y la posible relación que pueden formar en un medio iónico:
● Electrodos metal-ion, metálico:
Son electrodos conformados por un electrodo metálico sumergido en una disolución del
propio metal en forma de iones.
● Electrodos redox:
Son electrodos los cuales están formados por un elemento reductor y oxidante por aparte
los cuales pueden contar con un electrodo que funciona de referencia el cual se encarga del
transporte de electrones pero no interactúa en la reacción normalmente, este último es
introducido o hace parte del electrolito.
● Electrodos Gaseosos:
Están formados por un metal y un gas que reaccionan, para la disolución de un anión, un
ejemplo común puede ser el cloro y el platino.
Se observa que los diferentes posibles electrodos utilizados tienen cierto potencial teórico
para la generación de electricidad esto es basado en parámetros como la temperatura en la
reacción (Uribe, 2010), y son generados a partir de la comparación entre un electrodo base que
es el hidrógeno, estos valores se pueden encontrar en algunas tablas de libros de química
citados anteriormente como “ Química General” de L.Brown, cabe resaltar que estos valores
no pueden ser hallados de manera experimental pero son un referente teórico para realizar
análisis.
También de igual manera se tienen potenciales estándares de electrodos los cuales evalúan
las reacciones que ocurren con diferentes electrodos y su capacidad de reducción y oxidación,
esto define también la cantidad de energía que teóricamente se genera.
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4.2. Cinética de la Electroquímica.
Para las reacciones electroquímicas se presentan algunos procesos físicos los cuales
resultan en parte de la generación de la energía eléctrica estos también pretenden cuantificar la
cantidad de energía generada. (Costa, 1980)
Para poder producir energía eléctrica a través de una celda galvánica es necesario
introducir dos electrodo en un medio electrolítico para lo cual se produce una generación de
energía eléctrica que genera un paso de corriente a través del medio iónica , esta reacción se
llama electrólisis (Bockris y Reddy, 1998), esto resulta en una diferencia de potencial eléctrico
entre los electrones lo cual genera un campo, en el cual los cationes se dirigen hacia el cátodo
y los aniones en un sentido contrario es decir hacia el ánodo. El movimiento de los iones
presentes en el sistema constituye en sí la cantidad de corriente eléctrica en el electrolito, pero
la cantidad de corriente que cada uno tiene depende de su composición, la velocidad del
movimiento y el estado del medio (Acuña, 2003).
Durante la reacción electroquímica las sustancias ganaran o cederán cierta cantidad de
electrones, cuando un gramo de un ion es transformado, la cantidad de energía generada será
el equivalente de moles en un gramo el cual es expresado por el número de avogadro,
(6,06x10^23), multiplicado por la carga de un electrón la cual es (1,59 x 10-19 Coulombs esto
matemáticamente expresado sería:
F=Ne
También se ha establecido la cantidad de corriente que se necesita para transformar un
gramo de cualquier ion, la cual es la constante 96.494±5 Coulombs o 1 Faraday y si se tiene
en cuenta el peso molecular del ion y su valencia, utilizando también la cantidad de
electricidad en el sistema, expresada como It, se puede hacer una relación matemática la cual
resultaría en la cantidad de gramos transformados por cierta cantidad de electricidad, esto será
expresado de la siguiente manera:
p=[(1/96469)*(M/n)]*It
Todas estas fórmulas pueden ser aplicadas a modelos de medios electrolíticos estables y
con características homogéneas, en el actual proyecto no tienen mayor viabilidad de
aplicación dado el medio iónico con el que se experimenta.
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Cuando se realiza la reacción de oxido reducción en la celda galvánica ocurre una
diferencia de potencial en los electrodos esta diferencia puede ser medida con un voltímetro
donde resultará una medida en voltios la cual será el voltaje que tiene la celda, esto también
puede ser denominado como fuerza electromotriz o en sus siglas FEM, este FEM depende de
la naturaleza de los electrodos su temperatura de reacción, los iones presentes y su
concentración.
El cálculo de la FEM es posible calcularlo bajo condiciones estándar de la celda galvánica,
también lo es utilizando otros variables, sin embargo es algo más complejo, y el alcance del
proyecto investigativo no llega a ese trasfondo, de igual manera el cálculo de la FEM estándar
sirve para realizar comparación con modelos que no presentan condiciones ideales.
Primero se recuerda la fórmula de cálculo de diferencia de potencial la cual es la energía
necesaria para entregar un Joule de energía (J) a una carga de un coulomb, que contiene un
electrón, esto es expresado de la siguiente manera:
1V= 1J/C
Ya que esta energía generada depende de las características de los electrodos se tiene que la
diferencia entre dos potenciales de electrodos es calculada a través de potenciales de
reducción estándar, previamente calculados teóricamente, para lo cual el cálculo del potencial
de reducción estándar de la celda o FEM es dado por el potencial de reducción del Cátodo (E°
cátodo) menos el potencial de reducción estándar del ánodo (E° ánodo) la siguiente fórmula:
E° Celda = E° cátodo - E° ánodo
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4.3. Funcionamiento de generadores eléctricos primarios, celdas galvánicas.
Algunos de los tipos de generadores eléctricos primarios, logran la obtención de energía
eléctrica a través de la transformación de energía química en energía eléctrica, esto se logra
gracias a sus componentes básicos los cuales son un dos electrodos y un electrolito , en
donde el segundo funciona como una disolución que permite la conducción y paso de
electrones de un electrodo a otro, uno de ellos llamado , ánodo, se produce un aumento de
electrones, es decir se oxida, recibiendo electrones del otro electrodo, llamado cátodo, el cual
en este caso tiende a ceder electrones. La cantidad y velocidad de electrones que pasa de un
electrodo a otro se llama amperios y la diferencia de potencial entre los dos electrodos se
llama amperios, todos estos factores dependen del tipo y cantidad de material utilizado para
cada uno de sus componentes. Cuando el circuito eléctrico se cierra el ánodo y el cátodo
estarán unidos indirectamente y comenzará el flujo de electrones, el cátodo se irá disolviendo
y el electrolito se irá reduciendo hasta, cuando esto suceda completamente la reacción química
y eléctrica se detendrá y se agotará la producción de energía, dando por finalizado el ciclo de
vida de la pila (Vasini y Donati, 2001).
Este principio de generación de energía es en el que se basa el presente proyecto para el
cual la transformación de energía química en eléctrica es la base, la mayoría de celdas
voltaicas o pilas , como se conocen comúnmente, generan energía eléctrica y proveen de
corriente directa a partir de diferentes compuestos que las hacen reaccionar para lograr esto
pueden utilizar elementos sólidos como por ejemplo litio, carbón, metal, níquel, pilas secas, o
elementos líquidos tales como algunos ácidos , este tipo de celdas no son recargables y
finalizan su vida útil una vez hayan utilizado en la totalidad los reactivos que en ella se
encuentran, existen algunos tipos de pilas los cuales es posible recargar , esto se logra a partir
de un transporte de electrones en sentido inverso , los cuales son almacenados, estos
generadores ya no son primarios , sin embargo es importante mencionarlos para hacer una
distinción clara ya que son llamados generadores secundarios.
Los residuos generados una vez se agota la producción de estos generadores son diversos
compuestos químicos altamente contaminantes, que poseen poca biodegradabilidad, entre
ellos se encuentra el Litio, la Plata, Manganeso, Flúor entre otros, estos metales deben tener
una disposición diferente y son considerados residuos peligrosos gracias a que generan
contaminación y afectación al medio ambiente.
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4.4. Lixiviado.
Es el resultado de la degradación de los residuos sólidos los cuales generan un residuo
líquido producto de su deshidratación o su propio contenido, que al mezclarse en un
contenedor genera una nueva sustancia líquida llamada lixiviado. También es posible llamar al
líquido final formado por la filtración de aguas lluvias en un relleno sanitario la cual pasa a
través de residuos sólidos en descomposición y diferentes sustancias que allí se encuentran
formando un lixiviado el cual es atrapado por un sistema de recolección de lixiviados
(Giraldo, 2001).
Características de un lixiviado: Las características de un lixiviado en un relleno sanitario
varían mucho en condiciones del tiempo, en donde se puede observar que el lixiviado con
más tiempo en el relleno va perdiendo sus condiciones contaminantes y sus parámetros de
factores contaminante van en descenso, por lo contrario un lixiviado joven presenta una alta
carga contaminante sin degradar, lo que puede generar un factor más contaminante para este
último pero sin embargo resulta de gran ayuda para el presente proyecto ya que cumple con
los parámetros necesarios para ser un compuesto más electrolítico. No se muestran valores
exactos de los diferentes parámetros que es posible medir ya que estos datos son cambiantes
en función de diferentes variables. El tipo de lixiviado que se utilizara para este proyecto es un
lixiviado que tiene un comportamiento un poco más estable, con respecto a los lixiviados de
rellenos sanitarios, ya que son residuos totalmente orgánicos (Pitarch, López, Marín,
Hernández y Albarrán, 2007).
Los residuos líquidos procedentes de residuos orgánicos sólidos presentan características
muy diferenciadas en comparación a los lixiviados que se encuentran en los rellenos sanitarios
, al contener características orgánicas su nivel de biodegradabilidad es más alto y su
composición es más fácilmente controlable, presentan pH muy variado dependiendo de su
procedencia y el proceso en el que se genero, ya que los procesos industriales en los que se
obtienen residuos orgánicos pueden ser distintivos los unos de otros, contiene altas
concentraciones de fósforo, nitrógeno y potasio .
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4.5 Marco Normativo Ambiental.
En el siguiente marco Normativo se citan las normas relativas al tema del proyecto, tales
como residuos líquidos y sólidos, norma Ambiental general y uso eficiente de la energía
(Bravo,2015).
4.5.1. Residuos líquidos y vertimientos.
● Conpes 3177 de 2002
Establece los lineamientos para formular el Plan Nacional de Manejo de Aguas Residuales,
con el objetivo de mejorar la calidad del recurso hídrico de la Nación. Se busca promover la
descontaminación y mejorar las inversiones y las fuentes de financiación y revisar y ajustar la
implementación de la tasa retributiva por contaminación hídrica.
● Resolución 1433 de 2004.
Por la cual se reglamenta el artículo 12 del decreto 3100 de 2003, sobre los Planes de
Saneamiento y Manejo de Vertimientos, PSMV. Se establece la definición de los PSMV, los
actores involucrados, información que se debe presentar y se dictan las medidas preventivas y
sancionatorias.
● Resolución 2145 de 2005.
Por la cual se modifica parcialmente la Resolución 1433 de 2004 sobre Planes de
Saneamiento y Manejo de Vertimientos, PSMV.
● Decreto 3930 de 2010.
Por el cual se reglamenta parcialmente el Título I de la Ley 9ª de 1979, así como el
Capítulo II del Título VI -Parte III- Libro II del Decreto-ley 2811 de 1974 en cuanto a usos del
agua y residuos líquidos y se dictan otras disposiciones.
● Decreto 1594 de 1984
Por medio del cual se reglamenta parcialmente la Ley 9 de 1979 y el Decreto Ley 2811 de
1974 en cuanto a usos de aguas y residuos líquidos.
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4.5.2. Residuos Sólidos.
● Decreto 2981 de 2013.
Por el cual se reglamenta la prestación del servicio público de aseo Sanitario y Ambiental.
● Decreto 838 de 2005.
Por el cual se modifica el Decreto 1713 de 2002 sobre disposición final de residuos sólidos
y se dictan otras disposiciones.
● Resolución 799 de 2012.
Por la cual se establece el listado detallado de los materiales reciclables y no reciclables
para la separación en la fuente de los residuos sólidos domésticos en el distrito capital.
● Ley 253 de 1996.
Por medio del cual se aprueba en Colombia el Convenio de Basilea.
● Ley 430 de 1998.
Por la cual se dictan normas prohibitivas en materia ambiental referentes a los desechos
peligrosos.
4.5.3 Uso Eficiente y Ahorro de la Energía.
● Ley 697 de 2001.
Mediante la cual se fomenta el uso racional y eficiente de la energía, se promueve la
utilización de energías alternativas y se dictan otras disposiciones.
● Decreto 895 de 2008.
Por el cual se modifica y adiciona el Decreto 2331 de 2007 sobre uso racional y eficiente
de energía eléctrica.
● Decreto 2501 de 2007.
Por el cual se modifica y adiciona el Decreto 2331 de 2007 sobre uso racional y eficiente
de energía eléctrica.
● Resolución 1297 de 2010.
Por la cual se establecen los sistemas de Recolección Selectiva y gestión Ambiental de
residuos de pilas y/o acumuladores y se adoptan otras disposiciones
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4.5.4. Norma Sanitaria y Ambiental.
● Decreto Ley 2811 de 1974.
Por el cual se dicta el Código Nacional de Recursos Naturales Renovables y de Protección
al Medio Ambiente.
● Ley 9 de 1979, Código Sanitario Nacional.
Compendio de normas sanitarias para la protección de la salud humana.
● Ley 99 de 1993.
Por la cual se crea el Ministerio del Medio Ambiente, se reordena el Sector Público
encargado de la gestión y conservación del medio ambiente y los recursos naturales
renovables, se organiza el Sistema Nacional Ambiental -SINA- y se dictan otras
disposiciones.
● Decreto 1541 de 1978
Por el cual se reglamenta la Parte III del Libro II del Decreto - Ley 2811 de 1974 "De las
aguas no marítimas" y parcialmente la Ley 23 de 1973.
.
● Decreto 1594 de 1984.
Por medio del cual se reglamenta parcialmente la Ley 9 de 1979 y el Decreto Ley 2811 de
1974 en cuanto a usos de aguas y residuos líquidos.
● Decreto 1180 de 2003.
Por medio del cual se reglamenta el título VIII de la Ley 99 de 1993 sobre Licencias
Ambientales.
● Ley 142 de 1994.
Por la cual se establece el régimen de los servicios públicos domiciliarios y se dictan otras
disposiciones.
22
5. Estado del Arte.
5.1. Energías Renovables.
Las energías renovables son energías que utilizan métodos para la producción de energía
de fuentes las cuales son renovables y casando el mínimo impacto negativo al medio
ambiente, a finales del siglo pasado la mayoría de países e industrias se han venido
concientizando acerca del cambio climático, es por eso que los esfuerzos en las últimas dos
décadas han sido guiados hacia generar el mínimo impacto ambiental en todos los procesos
productivos y por sobre todo a la implementación y creación de nuevas tecnologías que
faciliten esto, para lo cual se han estudiado diferentes tipos de producción de energía,
(Altomonte, Coviello y Lutz 2003) las cuales entre las cuatro más importantes se encuentran
las siguientes:
Energía Eólica:
Este es un tipo de energía el cual utiliza la energía del viento para la transformación a
energía eléctrica, esto es posible a través de unas aspas las cuales movidas por el viento a
través de energía mecánica, provocan movimiento en las turbinas de un generador, para la
producción de energía eléctrica. Este tipo de energía está sujeto a las condiciones climáticas
de donde se genere y su funcionamiento depende exclusivamente de las corrientes de aire, esto
quiere decir que no es aplicable en todas las zonas del mundo y también que es necesario
tener un respaldo energético para evitar que en algunos valles de regeneración de energía se
quede desabastecida la zona a la cual se provee de energía, de igual manera para poder captar
una cantidad de energía apreciable es necesario la creación de un parque eólico el cual tiene
costos bastante altos. Sin embargo esta producción de energía aplicada a gran escala genera
una significativa cantidad de producción energética y la eficiencia de producción es alta, en
condiciones ambientalmente favorables.
Energía Solar:
La energía del sol se desplaza en el espacio en forma de de radiación electromagnética, la
cual es utilizada en muchos procesos biológicos en la tierra, principalmente en la fotosíntesis
la cual permite la existencia de vida en el planeta tierra, esta energía también puede ser
captada por los seres humanos a través de celdas fotovoltaicas, a partir de las cuales se
realizaran la transformación a energía eléctrica, o también puede ser captada en forma de
energía térmica para la calefacción de diversos propósitos. Esta tipo de energía al igual de la
Eólica también depende de la zona en donde se quiera utilizar ya que la incidencia de los
rayos solares en todo el planeta es diferente, sin embargo esta tecnología es una de las que
tiene mayor rango de aplicabilidad ya que su fuente es el sol, el cual aporta la mayor cantidad
de energía al planeta tierra.
23
Biomasa:
La biomas es la cantidad de materia orgánica que se origina de un proceso biológico y que
para este contexto puede ser aprovechada como fuente de energía, bajo esta premisa existen
diferentes tipos de biomas potencialmente aprovechables, el primero es la que se puede
aprovechar directamente como lo es la leña para la producción de energía lumínica y calórica;
la segunda es la biomasa procedente de residuos productivos, generalmente actividades
agrícolas, la cual es posible aprovecharla en procesos de compostaje , en donde durante estos
procesos la materia orgánica , puede generar algunos gases como metano el cual es posible
aprovecharlo energéticamente, se degrada y puede ser utilizada como fertilizantes en algunos
cultivos; en la tercera y última se tiene un aprovechamiento el cual se hace de forma más
industrializada y es la obtención de biocombustibles a partir de cultivos como cereales
remolacha y entre otros.
Energía Hidráulica:
Esta energía es aquella que se obtiene a partir del aprovechamiento de la energía cinética y
potencial que tienen los cuerpos de agua , en donde el movimiento de estos es la principal
fuente de energía para realizar su transformación en energía eléctrica , esta se realiza
normalmente a través de la captación de un cuerpo de agua para que al caer realice su paso por
una turbina hidráulica la cual va unida a un generador el cual convierte esta energía mecánica
en eléctrica, esta generación de energía puede no ser totalmente amigable con el medio
ambiente ya que la construcción de represas y otras estructuras pueden cambiar el lecho del
rio u ocasionar cambios en la ecología presente allí, sin embargo se considera renovable por
sus características, este tipo de energía depende de los caudales que maneje le rio , el nivel de
pluviosidad y la topografía de la zona.
24
5.2. Generadores Primarios Biodegradables.
Los generadores primarios de celdas galvánicas, generan altos grados de contaminación por
los componentes de metales pesados que estos presentan, es por esto que ha sido necesario
idear tecnologías que sean amigables con el medio ambiente y por sobretodo sean
biodegradables y de características orgánicas, a continuación se describen algunos estrategias
generadas por algunos investigadores para el desarrollo de estas.
Dentro de los componentes de una celda galvánica los electrodos son una parte
fundamental estos han sido elaborados normalmente de zinc u otros metales pesados, para el
desarrollo de baterías biodegradables se han elaborado a partir de polímeros materiales como
el Polipirrol y la lignina (Torres, Lira y Gómez, 2000), estos materiales han sido estudiados
para la comparación de su capacidad de eficiencia energética su alta biodegradabilidad, en
donde la lignina es un compuesto fácilmente obtenible de la madera de los arboles en cambio
el Polipirrol es un polímero el cual tiene que ser sintetizado.
Investigadores del instituto Armstrong de Suecia investigan acerca de la creación de una
batería orgánica (Ambrojo, 2014), en un intento por cambiar las actuales baterías de litio las
cuales son recargables estos investigadores han usado materiales como lo son agua, etanol y
entre otro compuestos altamente biodegradables, estos esfuerzo vienen encaminados desde
años anteriores y se basan en estudios acerca de electrodos orgánicos, en este estudios los
investigadores aseguran que su batería tiene un 99% de biodegradabilidad.
Estas últimas dos implementaciones tecnológicas han sido las más importantes durante este
último tiempo sin embargo actualmente se comercializan baterías hechas de algodón como su
componente principal, estas baterías orgánicas fueron creadas por la empresa japonesa Power
Japan Plus primera en innovar en este mercado, ellos trabajan a partir del algodón a un
material complejo de carbono, como ellos lo llaman, para lograr a partir de esto diferentes
usos del algodón, uno de los cuales es la producción de energía eléctrica.
25
5.3. Tratamiento de Lixiviados.
En muchas ocasiones el tratamiento de los lixiviados no es el adecuado, ya que los costos
para este son demasiado altos, sin embrago esto es algo exigido para la operación de un
relleno sanitario, el proceso de tratamiento de estos lixiviados normalmente se realiza en una
planta de tratamiento en el cual el tratamiento es muy similar al realizado a las aguas
residuales, el cual es grosso modo un tratamiento primario, en el cual se remueven los sólidos
gruesos, un tratamiento secundario en el cual se realiza, dependiendo de la tecnología, una
biodigestión y degradación de los compuestos orgánicos, y por ultimo un tratamiento terciario
el cual se encarga de depurar mayormente las aguas, realizar procesos de desnitrificacion y
desinfección (Knoch y Stegmann, 1993)(Giraldo, 2001) , sin embargo la descontaminación de
estos residuos, debe ser tratada de una forma un poco más agresiva por sus características las
cuales presentan en algunos casos residuos peligrosos, como lo son baterías, residuos
anatomopatologicos y entre otros, también cabe observar que la desactivación total de estos
lixiviados no se logra completamente en muchos casos, dependiendo de la eficiencia de la
planta de tratamiento, por lo cual es necesario aplicar otros tipos de tratamientos.
En la última década se han estado investigando estrategias para una descontaminación
eficiente del lixiviado, la primera e controlar los procesos de infiltración ocurridos en el
relleno sanitario , esto se realizaría de una mejor manera si se realizara una separación en la
fuente especialmente de los residuos orgánicos, para realizar en el relleno sanitario una
disposición de solo los residuos orgánicos, ya que esto es un proceso bastante complejo de que
suceda se han ideado estrategias para la separación y descontaminación de residuos
potencialmente peligrosos como lo es la electrolisis (Ríos, 2005) a través de este proceso se
pueden separar algunos metales pesados los cuales son difíciles de manejar bajo los
tratamientos anteriormente descritos, sin embargo la mejor estrategia que se puede generar es
la concientización de la comunidad a través de estrategias educativas acerca de la disposición
de los residuos.
26
6. Proceso Metodológico.
6.1. Descripción General.
Se realizará un tipo de proceso metodológico investigativo, para cuantificar la capacidad de
generación de energía eléctrica en un sistema compuesto por lixiviados procedentes de
residuos orgánicos y latas de alimentos y bebidas, para lo cual se planteó un modelo
experimental en el que evaluando los parámetros fisicoquímicos del lixiviado, se observara la
posibilidad de aumento en la eficiencia electrolítica del mismo y realizando experimentación
empírica, se esperara cierto comportamiento planteado en la hipótesis inicial, para esto se
tendrán en cuenta ciertos grados de control experimental y de variables utilizadas para el
manejo de datos y resultados, en donde finalmente se buscara crear un modelo final,
evaluando sus posibles usos a pequeña escala.
De igual manera se plantearon tres fases en el desarrollo, las cuales permiten realizar
cambios en el sistema para lograr la mayor eficiencia y comprobar la hipótesis inicial.
6.2. Modelo experimental.
6.2.1. Hipótesis Experimental.
La hipótesis plantea que es posible obtener a partir de lixiviados, procedentes de residuos
orgánicos domésticos, un medio electrolítico con la capacidad de generar energía eléctrica,
con una alta eficiencia y aplicabilidad en modelos a pequeña escala, evaluando su capacidad
en función de los parámetros fisicoquímicos y de las reacciones químicas que puedan ocurrir;
también se espera que los electrodos utilizados en el sistema respondan de diferente forma,
para lo cual se planteó que tendrán mayor eficiencia en la generación los electrodos obtenidos
comercialmente a diferencia de los obtenidos en procesos de reciclaje, siendo los primeros con
mayor grado de pureza de los compuestos necesarios. De forma global se espera obtener la
suficiente generación de energía eléctrica para el funcionamiento de una fuente lumínica o la
carga de un aparato eléctrico pequeño a partir de un sistema final planteado.
27
6.2.2. Variables Experimentales.
Para tener un grado de control en el proceso experimental se plantean las siguientes
variables.
Independientes.
Estas variables proveen de mayor grado de control en el experimento, ya que pueden ser
modificadas según la intención del investigador, para finalmente generar mayor cantidad de
energía eléctrica y plantear un modelo final del mismo.
● Componentes del lixiviado.
A través del manejo de esta variable se puede esperar un porcentaje de ciertos compuestos
iníciales los cuales serán de importancia en el sistema y con los cuales se regula la capacidad
electrolítica del mismo, esto se realiza a partir de una caracterización física inicial de la
materia orgánica de la que se obtendrá el lixiviado.
● Componentes de Electrodos.
Los electrodos que se implementaran en el sistema se elegirán entre una gama de
materiales que se encuentran en el mercado y en algunos residuos sólidos, para lo cual se
obtendrán los que posiblemente generen mayor cantidad de energía eléctrica, aportando
mayor eficiencia al sistema.
Dependientes.
● Cantidad de iones generados en medio electrolítico.
Los iones generados en el medio electrolítico dependen directamente de las características
físico químicas que el lixiviado tenga e influye de igual manera el tiempo de descomposición
del mismo, en el cual se espera que haya un aumento de iones con respecto al tiempo.
● Producción de Energía Eléctrica.
La producción de energía eléctrica es dada tanto por el potencial electrolítico del lixiviado
como por la capacidad de ionización de los electrodos , en el sistema, para realizar una
eficiente transferencia de electrones y así generar energía eléctrica, para esto el experimento
pone a prueba las condiciones más ideales para obtener la mayor cantidad de energía.
28
6.3. Fases.
El proceso experimental por el cual se obtuvieron los resultados, consta de tres fases de
desarrollo principales, en las cuales cada una tendrá diferente nivel de análisis para la
obtención de un resultado óptimo, para lo cuales se observó cambios en el medio electrolítico
y en donde se procuro tener el mayor grado de control en el experimento, para luego realizar
una conclusión y un modelo final, el cual permitió confirmar la hipótesis inicial.
6.3.1. Obtención de materiales y caracterización física.
En esta primera fase se realizaron los procesos necesarios para obtener el lixiviado, esto se
hizo por gravedad introduciendo una bolsa que contenía los residuos orgánicos en otra que
recolectaría el lixiviado, como se observa en la Imagen No 1, a la cual se realizaron
perforaciones para facilitar el intercambio de gases, posteriormente se describieron los
componentes físicos de los residuos sólidos del cual proviene, de esta manera se tienen
características más definidas, con altas cargas de materia orgánica en sus componentes; para
los electrodos, se realizó una obtención de dos fuentes, unos adquiridos comercialmente, en
este caso Zinc y Cobre, ver Imagen No 2 y otros a partir de materiales reciclados, ver Imagen
No 3, para en el caso de los reciclados se realizaron cortes a las latas, para formar láminas de
cada metal, las cuales estaban compuestas de metales como hierro y estaño para las latas de
alimentos y aluminio para las de bebidas.
Figura No 1.
Recolección de lixiviados.
Fuente: El Autor, 2015.
Residuos Sólidos
Lixiviados
29
Figura No 2. Figura No 3.
Zinc y Cobre. . Electrodos de elementos reciclados.
Fuente: El Autor, 2015. Fuente: El Autor, 2015.
6.3.2. Pruebas básicas del sistema de generación piloto.
Se realizo un análisis de las características fisicoquímicas del electrolito, para así
determinar su capacidad electrolítica y su potencial de iones que reaccionarían con el sistema.
Se realizaron dos montajes piloto simples, observando la cantidad de energía eléctrica
generada, la degradación de los electrodos y la eficiencia de generación del sistema.
Para la evaluación de los parámetros fisicoquímicos del lixiviado y las pruebas piloto del
sistema, se plantearon los siguientes lapsos de tiempo, lo cual permitirá observar el momento
de degradación en donde el medio electrolítico tenga mayor eficiencia y el sistema a su vez
mayor capacidad de generación eléctrica.
Prueba No 1. 1a Semana. Tiempo de degradación 0.
15 Días.
Prueba No 2. 3a Semana.
1 Mes
Prueba No 3. 5a Semana.
30
Se realizaron curvas graficas que ilustra comparativamente los resultados fisicoquímicos
del lixiviado a lo largo del tiempo, obtenidos para cada parámetro, de esta manera se observa
como es el comportamiento de estos parámetros según durante un lapso de degradación.
La evaluación de la generación de energía eléctrica se realizara a través de parámetros
eléctricos de producción de energía, para lo cual se observaron dos sistemas piloto, teniendo
en cuenta los tiempos de degradación de los electrodos y la cantidad de energía producida,
medida en voltios, los cuales se construyeron de la siguiente manera.
Montaje piloto #1 - Pareja electrodos de materiales reciclables.
-Lixiviado.
Montaje piloto #2 – Pareja de electrodos de materiales obtenidos
, comercialmente.
-Lixiviado.
El diseño de montaje piloto simple se observa en el siguiente esquema.
Figura No 4.
Esquema montaje piloto simple.
Fuente: El Autor, 2015.
Transferencia de -e Cátodo - Ánodo +
Lixiviado
Bombillo
1,5 V
31
6.3.3. Montaje del Sistema de Generación.
Se Realizó un montaje definitivo, al cual se le realizaron algunas modificaciones con
respecto al inicial, del cual se observó la necesidad de un puente salino, compuesto de NaCl,
para su montaje. A partir de estas modificaciones se observó que el montaje piloto necesitaba
más celdas para producir una cantidad de energía eléctrica suficiente, para mejorar la
eficiencia se dispuso también subceldas de solución salina. El montaje final se observa en la
siguiente figura, Figura No 5.
Figura No 5.
Montaje preliminar, sin puentes salinos ni electrodos.
Fuente: El Autor, 2015.
En esta parte del proceso el lixiviado funciona como un electrodo líquido activo en donde
los iones H+ que este posee se oxidan y pierden electrones, la ecuación planteada para esta
reacción sería:
Zn0→ Zn2+ + 2e-
2H+ + 2e- → H20
Zn + 2H+→H2 + Zn
También se observa que el cobre reacciona como un electrodo inerte el cual no participa
directamente en la reacción principal de oxido reducción, de igual manera es posible que otros
iones presentes en el compuesto participen activamente en reacciones de oxido reducción.
Finalmente se realizaron las conclusiones del proyecto observando los diferentes impactos
medio ambientales generados, definiendo teóricamente posibles usos de los residuos finales
Solución
Salina Lixiviado
32
7. Resultados y Análisis de Resultados.
7. 1. Caracterización física de los residuos sólidos generadores del lixiviado.
En la siguiente tabla se observa, la biomasa que dará origen al lixiviado, clasificado según
su procedencia, la cantidad de lixiviado que se pueda generar está en función de sus
componentes y las condiciones ambientales en donde se genere, para el presente experimento
se obtuvieron aproximadamente 350 ml de lixiviado en el lapso de un mes, esta cantidad
puede aumentar con el tiempo, por causa de deshidratación de la materia orgánica, pero como
se observara más adelante, las características del mismo variaran con respecto al tiempo.
Tabla No 1.
Porcentaje de biomasa según su procedencia.
Componentes Origen Lixiviado
Residuo
Sólido
Porcentaj
e en
Peso(gr)
Porcentaje
Aproximado
Cáscaras de
fruta 432 36%
Sobras de
alimentos 312 26%
Cáscaras de
verduras 396 33%
Cáscaras de
huevos 60 5%
Total 1200 100%
Fuente: El Autor, 2015.
Como se observa en la tabla anterior se tiene que la descripción física presentada es una
descripción muy general acerca del posible contenido de residuos orgánicos, de igual manera
nos señala algunos compuestos clave que se pueden encontrar en el lixiviado, tales como para
en el caso de las frutas y verduras algunos aminoácidos, azúcares y vitaminas, algún contienen
cantidades mínimas de antioxidantes en sus cáscaras los cuales no significan un problema
mayor para la transformación de energía; para las sobras de alimentos encontramos los
compuestos anteriores y adicional a ello presencia de sales, principalmente NaCl, para las
cáscaras de huevos se observa compuestos como CaCO3 los cuales aunque no se disocian
fácilmente en medio acuoso pueden reaccionar potencialmente con otros ácidos encontrados el
electrolito, finalmente se considera importante mencionar que estos residuos orgánicos
presentan contenidos de agua en cantidades apreciable, lo cual lo hace un medio con alta
potencia electrolítica (Damodaran, Parkin y Fennema, 2007).
33
7. 2. Caracterización fisicoquímica de lixiviados.
Estos parámetros fueron seleccionados para poder observar como es el comportamiento a
través del tiempo de los iones y las sustancias que intervienen en el intercambio de electrones,
para el pH muestra la cantidad de iones Hidronio que intervienen en el medio, los cuales van a
jugar un papel importante en el transporte de electrones; la conductividad eléctrica es un
parámetro de suma importancia pues básicamente muestra la capacidad electrolítica en
función de la conductividad presente en lixiviado; el parámetro Cloruros es importante para
saber la cantidad de iones Cloruro disociados en el medio los cuales que posiblemente
también participaran, aunque en menor cantidad, en la reacción; por último para la dureza la
cual es un parámetros que se evalúa especialmente por el contenido de cáscaras de huevo del
que proviene el lixiviado a través de este parámetro se puede observar la cantidad Magnesio y
Calcio en forma de iones presentes en el sistema.
La siguiente tabla muestra la variación de los parámetros fisicoquímicos con respecto al
tiempo.
Tabla No 2.
Parámetros FísicoQuímicos.
Tiempo
Degradación Inicial
3
Semanas
5
Semanas
pH 3,75 3,88 3,99
Conductividad (mS/cm)*
3,41 4,33 4,82
Cloruros(gr/L) 1,85 2,04 2,04
Dureza (gr/L) 1,64 1,79 1,89
Fuente: El Autor, 2015.
34
En el siguiente gráfico se puede observar como es el comportamiento de los parámetros
con respecto al tiempo:
Figura No 6.
Parámetros Fisicoquímicos con respecto a tiempo de degradación.
Fuente: El Autor, 2015.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
Inicial 3 Semanas 5 Semanas
Esc
ala
ad
imes
ion
al
Tiempo de Degradacion
Parametros Fisicoquimicos y Tiempo de degradacion.
pH
Conductividad (mS/cm)*
Cloruros(mg/L)
Dureza (gr/L)
35
7. 3. Producción de Energía Eléctrica.
Los siguientes resultados se presentan a partir de la producción de energía eléctrica de una
sola celda evaluada.
La siguiente tabla muestra el voltaje y la corriente para cada sistema. Para lo cual se tiene
que cada montaje piloto representa:
● Montaje piloto #1 - Pareja electrodos de materiales reciclables.
-Lixiviado
● Montaje piloto #2 – Pareja de electrodos de materiales obtenidos
, comercialmente.
-Lixiviado.
Tabla No 3
Producción de energía.
Parámetros Montaje
Piloto #1
Montaje
Piloto #2
Voltaje (v) 0,254 0,706
Corriente
(mA) 1,7 5,1
Fuente: El Autor, 2015.
36
7. 4. Montaje Final del sistema.
El sistema piloto presentaba poca cantidad de generación de energía eléctrica lo cual, resultó
en la necesidad de realizar un montaje de 3 celdas que se conectaron en serie a través de un
puente salino, este puente salino se elaboró a partir de papel filtro y NaCl, para el puente se
experimentó con otros materiales potenciales como servilletas, papel periódico o incluso
gelatina sin sabor , todos estos con un contenido de solución saturada de NaCl, sin embargo el
potencial que generaba era considerablemente bajo para lo cual no se consideró
suficientemente eficiente en el sistema, por lo cual se escogió de manera el papel filtro, para
este montaje final se utilizaron los electrodos del montaje piloto #2, se utilizó también un
lixiviado de aproximadamente 15 días de obtención y se dispuso de sub celdas con soluciones
saturadas de NaCl para mejorar el transporte de electrones. Para este sistema se cuantificaron
sus componentes los cuales son presentados en la Tabla No 4.
Tabla No 4. Componentes por celda.
Celdas. Cantidad de
lixiviado Aprox (ml).
Procedencia de Latas,
electrodos.
Masa de electrodos
(grs).
Celda No 1. 25,0 Alimentos 2,3
Celda No 2. 25,0 Bebidas 2,0
Celda No 3. 25,0 Bebidas 1,9
Celda No 4. 25,0 Alimentos 2,2
Fuente: El Autor, 2015.
En este sistema se observó una diferencia de potencial de 1.8 V y una corriente de 13.4 mA
para lo cual gracias a esto se pudo encender una bombilla de 2.0 V.
37
Figura No 7.
Montaje final del sistema.
Fuente: El Autor, 2015.
Como resultado Final se observa la cantidad de generación de energía eléctrica experimental
para los sistemas evaluados en la siguiente tabla, Tabla No 5.
Tabla No 5.
Potencial de generación.
Voltaje (V)
Amperaje
(mA)
Potencial
(Watts)
Prueba Piloto
#1 0,3 1,7 5,1x10-7
Prueba Piloto
#2 0,7 5,1 3,57x10-6
Montaje
Final. 1,8 13,4 2,4x10-5
Fuente: El autor (2015)
Puente
Salino
38
7. 5. Análisis de resultados.
Se observa que los componentes del lixiviado son totalmente orgánicos y que gracias a
esto se encuentran varios iones de diferentes características en este compuesto, sin embargo
no todos los iones interactúan en el sistema siendo el de importancia el ion H+ el cual por las
características de la reacción participará activamente en esta, esto supone que si se presenta un
medio más ácido se puede obtener mayor cantidad de energía en las reacciones de oxido-
reducción , sin embargo cabe resaltar que para tener en cuenta la capacidad electrolítica del
lixiviado los otros iones presentes si juegan un papel importante ya que su disociación en el
medio permiten mayor flujo de electrones, es por esto que los residuos sólidos de los cuales se
obtuvieron estos lixiviados presentan características adecuadas para un medio de control que
permita obtener un lixiviado para el cual sus características, en situaciones normales de la
generación de estos lixiviados de origen doméstico es posible que no se puedan encontrar las
característica ideales anteriormente mencionadas no obstante es posible decir que la cantidad
de iones disociados que puedan presentar estos lixiviados sean suficientes para generar una
cantidad de energía eléctrica similar al modelo final del presente estudio.
Se observa un ligero aumento en el pH lo cual resulta en consecuencia en una disminución
de los iones H+, esto es posible ya que a través del tiempo los lixiviados comúnmente van
cambiando con tendencia a presentar características más neutras (Pitarch, López, Marín,
Hernández y Albarrán, 2007) sin embargo, teniendo en cuenta el lapso de tiempo, el cambio
no es tan drástico, ya que el tiempo para neutralizar todos los ácidos puede ser más largo que
el tiempo de experimentación, con las condiciones dadas en el medio, de todas formas esto
puede ser contraproducente en el sentido de que los iones H+ participantes en la reacción
principal se disminuyan con un lapso de tiempo más largo, como no se determinó el parámetro
de alcalinidad no es posible deducir hasta qué punto se neutralicen los ácidos y su aumento en
el medio.
Para los parámetros cloruros y dureza es evidente un aumento, esto es posible a partir de la
ionización de algunos compuestos presentes allí los cuales permitieron que estos parámetros
fueran en aumento, estos dos parámetros se relacionan también con la conductividad eléctrica
la cual también aumenta con respecto al tiempo y es posible decir que esta alta conductividad
eléctrica evidencia que el lixiviado objeto de estudio presenta un gran potencial electrolítica y
de transporte de energía eléctrica.
39
Se observa que la diferencia de potencial y la corriente generadas en los sistemas pilotos de
una sola celda son un poco bajas a lo esperado ,para el montaje piloto # 1 se género menor
cantidad de energía con respecto al montaje #2, esto es debido posiblemente a la pureza de los
materiales utilizados, ya que los metales que se encuentran en las latas de alimentos y bebidas
presentan un grado de pureza más bajo que los otros elementos utilizados en el otro montaje ,
esta diferencia era esperada y comprueba la hipótesis inicial, sin embargo el modelo
preliminar presentado está sujeto a un rediseño puesto que una sola celda no tiene el
suficiente potencial energético, es por eso que en el modelo final se tuvieron que hacer
modificaciones y expandirlo un poco para generar mayor cantidad de energía, agregando dos
celdas mas , después de elaborar el montaje final los resultados obtenidos no llenaron las
expectativas del experimentador ya que el potencial generado solo alcanza para iluminación
con una bombilla de bajo voltaje, sin embargo es posible generar mayor cantidad de energía a
partir del mejoramiento de este modelo y posiblemente al uso de mayor cantidad de
materiales.
40
7. 6. Impactos Ambientales.
Los impactos ambientales generados en este proyecto van desde el uso de nuevas energías
renovables hasta la reintegración de los componentes del sistema, con el que se obtuvo la
energía, en otros procesos productivos. La generación de energía eléctrica a partir de
generadores primarios como las pilas, causa afectación al medio ambiente, gracias a los
residuos que se generan en el uso de esta energía, con la aplicación tecnológica de este
proyecto a pequeña escala se puede generar energía eléctrica sin causar afectación al medio
ambiente.
Los subproductos generados de la generación de energía eléctrica a partir de residuos
orgánicos y materiales reciclados pueden ser utilizados como fertilizantes orgánicos, con un
previo tratamiento, esto se logra a través de una preparación que tenga proporciones
adecuadas de Nitrógeno, Potasio y Fósforo; también es posible utilizarlos en procesos de
compostajes añadiéndolos a las pilas de compost aportando materia orgánica para su
descomposición. También para los metales utilizados es posible evaluar su potencial para que
sea recirculado en cadenas productivas para su uso en especial el aluminio de las latas de
bebidas ya que este no participa en el proceso de oxidación.
Si se utiliza en los hogares puede ser una gran herramienta para la utilización de residuos
sólidos y su aprovechamiento real desde los hogares, de esa manera los residuos que llegan a
los rellenos sanitarios son menores y se comienza a generar conciencia acerca de la
disposición de los residuos y su uso práctico.
El fin de este proyecto es proveer un uso desde los hogares a los residuos, en especial a los
lixiviados un residuo líquido que genera impactos ambientales negativo pero con una
capacidad energética importante hasta el momento no explotada. Se espera que el presente
proyecto sea utilizado para un mejoramiento del modelo planteado y así una mejor disposición
de los residuos líquidos provenientes de materia orgánica.
De igual manera dentro de los beneficios ambientales que se pretenden generar se
encuentra la reducción de residuos orgánicos y reciclables que llegan a los rellenos sanitarios
y son potencialmente aprovechables, para la ciudad de Bogotá aproximadamente unos 0.302
toneladas per capita en un año (Castro,2015), de las cuales un buen porcentaje son residuos
orgánicos y aprovechables; estos residuos que llegan a Doña Juana generan cierta cantidad de
lixiviados , en donde los residuos orgánicos al combinarse con otras sustancias son capaces de
convertirse en otros compuestos, estos residuos orgánicos son en la mayoría de su
composición agua y al no estar presentes en el relleno sanitario la producción de lixiviado
podría ser menor, a causa de la reducción de la infiltración de los mismos.
41
También se observa que las pilas causan contaminación ambiental gracias a que los
componentes en su mayoría son algunos metales pesados que tienen poca biodegradabilidad y
son considerados residuos peligrosos a los cuales se les realiza un tratamiento especial para su
disposición, sin embargo con la generación de energía planteado en el modelo se observa que
sus componentes tienen capacidad de una alta biodegradabilidad y posterior uso en otros
procesos.
Finalmente al comparar la aplicación tecnológica del modelo descrito contra otras fuentes
de energía renovables se observa que la producción puede ser menor con el sistema planteado,
sin embargo si se produce energía a una escala mayor sería posible llegar a competir con los
otros tipos de energías renovables, también es evidente que la capacidad de generación del
sistema no es tan alta, parámetro comparado en función de la energía producida, pero algunos
energías renovables, como la solar y eólica (Swanson, 2009), también presentan una baja
capacidad de generación, convirtiendo solo un pequeño porcentaje, de la energía que ingresa
al sistema, en energía eléctrica. También se observan que las pilas de celda galvánica
convencionales, AA y AAA, generan una diferencia de potencial similar a la del sistema
evaluado ,1,5 V cada una, sin embargo su capacidad es mayor entre unos 1.100 y 1.300 mAh,
la verdadera ventaja del sistema de pilas galvánicas puede ser sin duda un sistema más
compacto, para lo cual se necesita plantear un modelo que resulte más eficiente en este
sentido; no obstante hay que tener en cuenta que una de las ideas principales por la cual
surgió el proyecto es la generación de energía eléctrica desde los hogares mas no un fin
comercial de la energía.
42
8. Conclusiones.
Se concluye que el potencial electrolítico que tiene un lixiviado de origen orgánico es alto,
gracias a las características que presenta y la cantidad de iones que posee, se observa también
que el lixiviado utilizado es un medio de control que presenta características muy definidas ,
pero que en un lixiviado de origen doméstico no pueden ser las mismas , es de importancia
que si este modelo se quiere implementar a pequeña escala en los hogares se realicen
experimentaciones empíricas con los lixiviados que se tengan, aunque en general se puede
observar que las características pueden ser similares sin embargo es posible que la cantidad de
energía eléctrica producida no sea la misma
Se puede concluir que los cambios observados en los parámetros físico químicos a través
del tiempo evidencian una tendencia del lixiviado a volverse más neutro y disminuir sus iones
H+ lo que resulta negativo para la reacción de oxido-reducción principal puesto que la
generación de electrones puede disminuir respecto a esto, también se observó que el lixiviado
tiende a aumentar la cantidad otros de iones presentes lo que es positivo para funcionar como
medio electrolítico pero no como electrodo que aporte electrones, de igual manera es plausible
la necesidad de evaluar otros parámetros que puedan determinar otros iones que participan en
el sistema.
La conductividad eléctrica se ve directamente relacionada al aumento del número de iones
presentes, este es un factor importante, pero para utilizar netamente al lixiviado como medio
electrolítico sería necesario replantear un modelo en el que resulte eficiente esto, ya que es
notorio que este parámetro va en aumento con respecto al tiempo, es por eso que se observa
que es necesario realizar la obtención y el aprovechamiento de estos lixiviados en el menor
tiempo posible para que sea partícipe también de las reacciones químicas.
La potencialidad de producción de energía que se podría generar no es muy alta pero es
realmente significativa y es un modelo bastante viable para la generación de energía eléctrica
a pequeña escala, el modelo plasmado en el presente proyecto puede estar sujeto a otras
mejoras según los lixiviados que presente cada hogar, y el potencial de producción energética
de un lixiviado como el estudiado es relativamente alta, y con un desarrollo mas amplio puede
ser capaz de competir con otras tecnologías amigables con el medio ambiente, la principal
ventaja es la posible implementación desde los hogares, es viable pensar en generar procesos
de educación para la producción de energía por este medio desde los hogares.
43
El uso que se le puede dar a la tecnología a nivel industrial puede ser provechoso y ya que
su potencial de generación de energía eléctrica es significativo, y el cual puede brindar a las
empresas y al sector industrial una opción importante para el manejo de residuos y
posteriormente de lixiviados , que en conjunto con otras tecnologías amigables con el medio
ambiente, como el compostaje, pueden dar como resultado el aprovechamiento total de los
residuos orgánicos, es importante resaltar que el aprovechamiento de estos lixiviados
generaría importantes impactos en la disminución y tratamiento en los rellenos sanitarios
Los subproductos procedentes de todo el proceso de generación de energía eléctrica tienen
un potencial amplio de aprovechamiento siendo esta una idea que genere impactos positivos al
medio ambiente. Estos residuos por sus características orgánicas presentan altos niveles de
biodegradabilidad, para lo cual se tiene una tecnología más limpia que las pilas
convencionales, también es posible neutralizar sus características con el paso del tiempo de
esa manera se pueden utilizar de forma más viable en procesos para la creación de
fertilizantes.
Aunque el potencial de generación de energía eléctrica no es la suficiente como para lograr
una autonomía energética total desde los hogares, cabe resaltar que este proyecto puede ser la
iniciativa para un mejoramiento del modelo acá presentado y significa un valioso aporte al
manejo de residuos líquidos y su disposición.
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9. Bibliografía.
● Acuña, P. (2003). FUNDAMENTOS DE CINÉTICA ELECTROQUÍMICA.
PARTE I. Santiago de Chile, Chile.: Departamento de Ingeniería Química Universidad
de Chile Beauchef.
● Ambrojo, J. C. (2014). Baterías alternativas orgánicas. Técnica Industrial, 308,
4.
● Altomonte, H., Coviello, M., & Lutz, W. F. (2003). Energías renovables y
eficiencia energética en América Latina y el Caribe: restricciones y perspectivas.
CEPAL.
● Baeza, A. & García, A. (2011). Principios de electroquímica analítica
Colección de documentos de apoyo. México: UNAM.pp.15-18.
● Bailey, D. A., Nelson, P. V., & Fonteno, W. C. (2005). Substrate pH and water
quality. Raleigh: North Caroline State University, 2005b. Disponible en: < http://www.
ces. ncsu. edu/depts/hort/floriculture/plugs/ph. pdf>. Acceso en. 2.005 vol.1.
● Bockris J. O’.M. and Reddy A.K.M- (1998), Modern Electrochemistry, Vol. 2,
Kluwer, pag 947-948.
● Bravo, Y. (2015, 08). Matriz Normativa Ambiental. Política y Normatividad.
Obtenido 10, 2015, de http://www.gobiernobogota.gov.co/politica-y-
normatividad/normatividad-vigente/normativa-ambiental#.
● Brown, T. L., LeMay Jr, H. E., Bursten, B. E., & Burdge, J. R.
(2004).Química. Pearson educación.
● Castro, H. (2015, 09). Disposición de Residuos en el Relleno Sanitario Doña
Juana Per Cápita- DRSPC. Datos e indicadores para medir la calidad del ambiente en
Bogotá. Obtenido 10, 2015, de
http://oab.ambientebogota.gov.co/es/indicadores?id=184.
● Costa, J. M. (1981). Fundamentos de Electrónica: Cinética electroquímica y
sus aplicaciones. Editorial Alhambra.
● Damodaran, S., Parkin, K. L., & Fennema, O. R. (Eds.). (2007). Fennema's
food chemistry. CRC press.
● EPM, (2012, 03). Uso inteligente de la energía eléctrica Banco de
recomendaciones. Empresas Publica de Medellin. Obtenido 11, 2015, de
https://www.epm.com.co/site/Portals/2/documentos/banco_de_recomendaciones_uso_i
nteligente_energia_electricamarzo_27.pdf
45
● Giraldo, E. (2001). Tratamiento de lixiviados de rellenos sanitarios: avances
recientes. Revista de ingeniería, (14), 44-55.
● Henry, J. G., & Heinke, G. W. (1999). Ingeniería ambiental. Pearson
Educación.
● Herrero, M., Lucas, G., & Beneyto, M. (1995). Residuos orgánicos y
agricultura. Universidad de Alicante.
● Ihekoronye, A. I., & Ngoddy, P. O. (1985). Integrated food science and
technology for the tropics. Macmillan.
● Knoch, J., & Stegmann, R. (1993). Tratamiento de lixiviados. In Tratamiento
de lixiviados. CAPRE/ANDESAPA.
● Lobo García de Cortázar, A. (2005). Desarrollo de MODUELO 2: herramienta
para la evaluación de la contaminación producida en vertederos de residuos sólidos
urbanos.
● Losada Bermeo, J. D. (2012). Caracterización de los lixiviados generados en el
proceso de compostaje provenientes de residuos orgánicos de plaza de mercado y su
uso como complemento nutricional para cultivos hidropónicos.
● Méndez-Sánchez, P., Velasco-Hernández, M. A., De León, J. B. P., Tapia-
Brito, D., Castillo-Velázquez, J. I., Mozo, C. S., & Espinoza, M. Contaminación De
Agua Por Pilas Alcalinas Tipo Aa.
● Pitarch, E., López, F., Marín, J., Hernández, F., & Albarrán, F. (2007).
Estrategia analítica para el control de contaminantes orgánicos prioritarios en aguas de
lixiviado de plantas de tratamiento de RSU. Universidad Jaime I. Instituto
Universitario de Plaguicidas y Aguas (IUPA). Revista Residuos. Vol, (95), 46-55.
● Polo, M., & Guevara, E. (2001). Contaminación de acuíferos por efecto de los
lixiviados en el área adyacente al vertedero de desechos sólidos la Guásima, Municipio
Libertador, Estado Carabobo. Revista INGENIERÍA UC, 8(2), 0.
● Ramírez, A., Restrepo, R., & Viña, G. (1997). Cuatro índices de contaminación
para caracterización de aguas continentales. Formulaciones y aplicación. CT&F-
Ciencia, Tecnología y Futuro, 1(3), 135-153.
● Ríos, N., (2005). Remoción de amonio y de metales pesados de los lixiviados
del relleno sanitario" La Esmeralda" de la ciudad de Manizales por electrocoagulación
(Doctoral dissertation, Universidad Nacional de Colombia-Sede Manizales).
● Torres, G., Lira, M., & Gómez, P. (2000). Materiales híbridos moleculares
orgánicos-inorgánicos: síntesis y aplicación como electrodos en baterías recargables de
litio. Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio, 39(3), 391-395.
46
UAESP Unidad Administrativa Especial De Servicios Públicos, A. (2011, 12).
CARACTERIZACIÓN DE LOS RESIDUOS SÓLIDOS RESIDENCIALES
GENERADOS EN LA CIUDAD DE BOGOTÁ D.C . Alcaldia Mayor de Bogotá.
Obtenido 11, 2015, de
http://www.uaesp.gov.co/uaesp_jo/attachments/Caracterizaci%C3%B3n/RESIDENCI
ALES%2002-29-2012%28!%29.pdf.
UAESP UNIDAD ADMINISTRATIVA ESPECIAL DE SERVICIOS
PÚBLICOS, (2014, 01). Informe de Gestion y resultados 2013. . Alcaldía Mayor de
Bogota. Obtenido 11, 2015, de
http://www.uaesp.gov.co/uaesp_jo/images/controlInterno/Informes/Gesti%C3%B3n%
20y%20Resultados%202013/Periodo%202013.
● Uribe, D. (2010). Conceptos Básicos de Electroquímica. Madrid, España.:
I.E.S. La Cañada, Departamento de Física y Química.
● Vasini, E. J., & Donati, E. R. (2001). Uso de analogías adecuadas como recurso
didáctico para la comprensión de los fenómenos electroquímicos en el nivel
universitario inicial. In Enseñanza de las Ciencias (Vol. 19, pp. 471-477).
● Whitten, K. W., Gailey, K. D., Davis, R. E., Ortega, M. T. A., & Muradás, R.
M. G. (1992). Química general. Madrid: McGraw-Hill.pp 780-800.
