APLICACIÓN DE LA DINÁMICA COMPUTACIONAL DE FLUIDOS EN TECNOLOGÍAS ELECTROQUÍMICAS PARA EL TRATAMIENTO DE RESIDUOS LÍQUIDOS

El enfoque gubernamental en la Zona Metropolitana del Valle de México (ZMVM) para la gestión de residuos líquidos prioriza la canalización del flujo total de aguas hacia las plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR), que procesan mezclas de aguas residuales (AR) domésticas, industriales y pluviales. El traslado de estos residuos a través de canales presenta desafíos significativos para la salud pública y la infraestructura. Según reportes de la Comisión Nacional del Agua (CONAGUA) en 2020, se trató el 67% del caudal recolectado por sistemas de alcantarillado, indicando un margen considerable para mejorar este enfoque. En 2018, se registraron 305 PTAR en la ZMVM, de las cuales el 60% operaba con tecnología biológica, en las que microorganismos descomponen la carga orgánica. Sin embargo, estos sistemas no están diseñados para eliminar contaminantes altamente tóxicos, como metales pesados o compuestos orgánicos de estructura compleja. Dentro del amplio espectro de métodos disponibles para el tratamiento de AR, las tecnologías electroquímicas emergen como opciones atractivas. Estas tecnologías destacan por su flexibilidad, facilidad de operación, tiempos de arranque reducidos y la eliminación de la necesidad de agentes químicos. Sin embargo, presentan desafíos al escalar a nivel industrial. Para lograr equipos más eficientes en los procesos electroquímicos destinados al tratamiento de AR, se han explorado diversas metodologías. Una de las más prometedoras es el uso de modelos de dinámica computacional de fluidos (DCF) para la evaluación virtual de la hidrodinámica desarrollada al interior de estos equipos.

Demonstrar los beneficios de aplicar la dinámica computacional de fluidos en el diseño y optimización de reactores electroquímicos usados en el tratamiento de aguas residuales, a través del análisis de dos casos de estudio, para fomentar la adopción de tecnologías electroquímicas en la resolución de problemas ambientales reales.

Se emplearon modelos de dinámica computacional de fluidos para analizar la transferencia de momento y masa en régimen turbulento mediante el método de volumen finito en dos casos de estudio distintos. El primero investigó la conservación de las características fluidodinámicas al escalar un reactor de mezcla completa desde 1 L hasta 12 L de volumen de operación. El segundo evaluó el diseño virtual de un reactor tipo canal modificando la geometría de los electrodos con el objetivo de optimizar su rendimiento. Este reactor está destinado al tratamiento de aguas residuales procedentes de un canal de aguas negras.

Los modelos revelan que el reactor de mezcla completa se adapta favorablemente a diferentes escalas, lo que garantiza la conservación de las propiedades fluidodinámicas en diversos volúmenes de diseño. Esta flexibilidad permite su aplicación efectiva en la remoción de Cr(VI) de aguas residuales industriales provenientes de procesos de cromado. Además, se evidencia que el reactor tipo canal puede ser optimizado virtualmente mediante modificaciones en la configuración de electrodos, ya que esta juega un papel crucial en su desempeño hidrodinámico, lo cual incide directamente en su eficiencia para la aplicación de la técnica