Modelado del proceso y caracterización de lodos de la electrocoagulación para la eliminación de emulsiones aceite-en-agua y calcio de aguas residuales de refinería

Por qué importa limpiar el agua de las refinerías

Las refinerías modernas convierten el petróleo crudo en los combustibles y lubricantes que utilizamos a diario, pero también generan grandes cantidades de agua sucia cargada de gotas de aceite y minerales disueltos como el calcio. Si esa agua no se limpia adecuadamente, puede obstruir equipos, malgastar recursos hídricos valiosos y contaminar ríos y mares. Este estudio explora un método eléctrico prometedor que puede abordar dos problemas importantes a la vez —la contaminación por aceite y los minerales de agua dura— manteniendo bajo el consumo de energía y el coste.

Una forma eléctrica de atrapar la suciedad en el agua

Los investigadores se centraron en un proceso llamado electrocoagulación, en el que placas metálicas dentro de un reactor se conectan a una fuente de corriente continua. Cuando la electricidad atraviesa el agua, pequeñas cantidades de aluminio se disuelven de una placa y reaccionan con el agua para formar partículas esponjosas y adhesivas. Estas partículas pueden atrapar gotas de aceite y calcio disuelto, aglutinándolas en fragmentos mayores que flotan en la superficie como nata o se hunden como lodo. A diferencia del tratamiento químico tradicional, este método genera sus propios “agentes de limpieza” a partir de las placas metálicas, reduciendo la necesidad de añadir reactivos externos.

Diseñando la mejor receta para un agua más limpia

El rendimiento de limpieza depende de muchos parámetros que los ingenieros pueden ajustar: cuánto tiempo se aplica la corriente, qué intensidad tiene, cuán salina es el agua, su acidez o alcalinidad, y cuánto aceite y calcio contiene. En lugar de probar por ensayo y error, el equipo utilizó un enfoque estadístico estructurado para explorar este espacio multidimensional. Crearon aguas residuales de refinería sintéticas con cantidades controladas de aceite lubricante y sales de calcio, y luego variaron sistemáticamente seis condiciones clave: tiempo de tratamiento, pH, densidad de corriente, nivel de sal (cloruro de sodio) y concentraciones iniciales de aceite y calcio. Software especializado les ayudó a planificar 84 experimentos y ajustar modelos matemáticos que relacionan estas variables con la eliminación de aceite y calcio, junto con el consumo energético y el coste operativo.

Qué revelaron los experimentos y los modelos

El análisis mostró que el tiempo de tratamiento fue el factor más importante para eliminar tanto el aceite como el calcio: más tiempo, en general, dio a los flóculos a base de aluminio más oportunidad para formarse y capturar los contaminantes. La densidad de corriente y el nivel de sal también jugaron papeles importantes, pero de forma más compleja. Una corriente más alta ayudó una vez transcurrido suficiente tiempo, mejorando la eliminación al generar más flóculos y burbujas de gas, pero en tiempos cortos pudo perturbar la formación de flóculos. Cantidades moderadas de calcio y sal mejoraron la conductividad eléctrica, pero un exceso condujo a capas minerales duras en los electrodos y a reacciones secundarias no deseadas que desperdiciaban aluminio y reducían la eficiencia. El pH del agua también importó: condiciones ligeramente alcalinas alrededor de pH 9 favorecieron la formación de especies de aluminio particularmente eficaces para romper emulsiones de aceite y unir el calcio.

Encontrar un punto óptimo entre rendimiento y coste

Al combinar los datos experimentales con modelado de superficie de respuesta, el equipo identificó un conjunto de condiciones operativas que optimizan conjuntamente la eliminación de aceite, la eliminación de calcio y el coste. Bajo estas condiciones —pH 9, una densidad de corriente de moderada a alta, niveles iniciales específicos de aceite y calcio, una sal añadida moderada y un tiempo de tratamiento de alrededor de una hora y media— el sistema eliminó más del 91 por ciento del aceite y casi el 73 por ciento del calcio. Al mismo tiempo, consumió aproximadamente 12 kilovatios-hora de electricidad por metro cúbico de agua y alcanzó un coste operativo total de alrededor de 0,21 dólares estadounidenses por metro cúbico, inferior al de algunos estudios previos de electrocoagulación. Simulaciones por ordenador usando el software COMSOL confirmaron que con estos ajustes el campo eléctrico dentro del reactor cilíndrico se distribuye de forma más uniforme, lo que ayuda a que las reacciones avancen de manera eficiente en todo el volumen de agua.

Qué ocurre con los residuos capturados

Tras el tratamiento, los contaminantes atrapados aparecen como una mezcla de lodo y nata flotante. Los autores examinaron este material con espectroscopía infrarroja, análisis elemental por rayos X y microscopía electrónica. Encontraron que contenía estructuras de hidróxido de aluminio junto con carbono de origen oleoso y sales de calcio y sodio, formando partículas porosas e irregulares con gran área superficial. Estas características sugieren que el lodo podría reutilizarse en lugar de descartarse —por ejemplo, como enmendante del suelo donde su contenido mineral podría mejorar las propiedades del terreno, o como fuente de aluminio que podría recuperarse y reciclarse para fabricar nuevos productos de tratamiento.

Agua más limpia con un sistema más sencillo

En conjunto, el estudio demuestra que un reactor de electrocoagulación relativamente simple, alimentado por corrientes eléctricas moderadas y usando electrodos de aluminio de fácil acceso, puede eliminar simultáneamente aceite emulsificado y calcio de aguas residuales de refinería a un coste competitivo. Al ajustar cuidadosamente las condiciones operativas y respaldar los experimentos con modelado estadístico y simulación por ordenador, los autores muestran que esta tecnología puede convertir aguas industriales fuertemente contaminadas en un caudal mucho más limpio, a la vez que produce un lodo manejable que incluso podría tener usos secundarios. Para comunidades e industrias que afrontan escasez de agua y límites estrictos de vertido, este tratamiento eléctrico optimizado ofrece una vía práctica hacia una reutilización del agua más segura y sostenible.

Cita: Mohamed, Y.E., El-Gayar, D.A., Amin, N.K. et al. Process modeling and sludge characterization of electrocoagulation for the removal of oil-in-water emulsions and calcium from petroleum refinery wastewater. Sci Rep 16, 7954 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37854-8

Palabras clave: aguas residuales de refinería de petróleo, electrocoagulación, emulsión aceite-en-agua, eliminación de dureza del agua, optimización del tratamiento de aguas residuales