Fotocatálisis heterogénea para el tratamiento de agua contaminada (página 2)

Concentrador Cilindro Parabólico
(CCP)

Control Bacteriológico: Reactor
Plano Estático (RPE)

Control Químico de Cloro en
Concentrador Cilindro Parabólico

Control Químico de Cloro en
Reactor Plano Estático (RPE)

Comparación del control
bacteriológico

Comparación del control
químico

Discusión

Antes de comenzar el análisis de los
resultados obtenidos cabe aclarar que se tienen en cuenta
solamente tendencias que por repetición permiten inferir
determinados patrones de actividad.

Es por esto que no se pueden establecer
datos en términos cuantitativos finos. Esto se debe a que
las condiciones experimentales no estuvieron estrictamente
parametrizadas, poniendo en duda la confiabilidad de los
mismos.

Es primordial establecer diferencias
físicas y de funcionamiento entre los dos dispositivos
utilizados, para comprender la acción
fotocatalítica en cada caso:

Fig. 33: Comparación de
características entre ambos reactores
solares

También es importante destacar
algunas propiedades físico-químicas de las
sustancias catalizadoras que las diferencian e influyen en el
accionar de cada una para el proceso fotocatalítico
heterogéneo.

Fig. 34: comparación de
características de los dos catalizadores
utilizados

A partir de las consideraciones realizadas,
se pudo evaluar el control bacteriológico y químico
obtenido en la fotocatálisis
heterogénea.

Control
bacteriológico

Sobre el CCP: Al analizar las graficas de
acción de la fotocatálisis heterogénea sobre
bacterias heterótrofas mesófilas totales (B.H.M.T,
que crecen en Agar Triptosoya) se puede observar que hay una
disminución importante de UFC (Unidades Formadoras de
Colonias) a la primera hora de exposición de catalizador
(TiO2 y ZnO), mientras que la disminución de la
población de bacterias con la sola acción de los
rayos UV es mas pronunciada en las dos primeras horas y se
mantiene constante en las últimas dos. El efecto del
catalizador sobre las bacterias presentes en el agua tiende a
decrecer rápidamente, reduciendo el mayor porcentaje a
primer instante. Así continúa su acción
durante las horas siguientes pero con menor disminución de
bacterias. Además, la cinética de muerte inicial
pudo darse en mayor medida sobre bacterias más
susceptibles, quedando presentes las más resistentes
(levaduras, coliformes y esporulantes).

Comparando las figuras 10 y 11 de B.H.M.T,
la caída de la población a la primera hora de
acción de ambos catalizadores es muy pronunciada comparada
con la acción de fotolisis sobre el agua sin catalizador.
Sin embargo, luego de 4 horas de exposición al sol los
resultados son similares en número de colonias
sobrevivientes. Esto puede deberse, a que al final del proceso,
la continua exposición a numerosos rayos UV termine de
eliminar a la mayor cantidad de bacterias, quedando sólo
las más resistentes, tanto a rayos UV como a efectos
catalizadores. Entonces la efectividad de la fotocatálisis
se observa en la rapidez de su acción.

Sin embargo, en la figura 12 hay una
caída pareja para las 3 muestras, lo cual se puede deber a
un error en la siembra, ya que la utilización de
catalizador para el saneamiento de agua seria entonces
dispensable, porque se obtienen los mismos resultados y con igual
rapidez.

La disminución de coliformes totales
(que crecen en Agar Mc Conkey) con el sistema se presenta
exponencialmente en la primera hora de exposición con la
acción de ZnO y TiO2, en tanto sin los aceleradores de la
reacción, las coliformes recién comienzan a
decrecer a partir de la primera hora, ya que éstas son las
más resistentes y sólo con la acción de
catalizadores podría deshacerse de ellas.

En todas las pruebas hay una tendencia que
verifica la acción catalítica de TiO2 y ZnO durante
la primera hora de exposición demostrando su rápida
acción. En tanto en las horas siguientes la caída
de UFC permanece relativamente constante, con leves
disminuciones.

En el caso de exposición con
catalizadores la temperatura parece no ser influyente, ya que
durante el periodo de mayor caída bacteriana,
todavía la temperatura no había alcanzado el
máximo.

En cuanto a la exposición del agua
sin catalizador durante la primera hora no se registran
caídas (manifestándose como una fase
aritmética), mientras que durante las 3 horas siguientes
desciende exponencialmente. Esto podría deberse a que
habría disponibilidad de oxigeno en la primera hora,
manteniendo la población constante. A partir de ese
momento podría darse una disminución el oxigeno
produciendo la muerte de bacterias aeróbicas, siendo que
las resistentes (aquellas anaerobias), las únicas
sobrevivientes. Quizá sea debido al confinamiento y
disminución de disponibilidad de oxigeno.

Entonces, la reducción de
población no se debería a la fotolisis sino que
puede justificarse por la falta de oxigeno.

Sin embargo, la figura 15 muestra una
similar disminución bacteriana en relación a los
sistemas que presentan catalizador y el que no; esto
podría deberse a un error de siembra en el tiempo 1 del
agua sin catalizador. A diferencia de las primeras 2 pruebas,
donde durante la primera hora se mantuvo constante la UFC, en
esta última la caída es exponencial.

También en el caso de las coliformes
totales, todas las muestras, al cabo de las 4 horas de
exposición, alcanzan los mismos valores. Esto muestra que
la diferencia entre la utilización de catalizadores o no,
radicaría en la velocidad de deshacerse de aquellas
bacterias más peligrosas para la salud humana.

Sobre el RPE: Lo primero que se observa es
el hecho de que la cinética de muerte de las UFC no es tan
pronunciada en comparación con el CCP. Esto puede darse
debido a que no hay concentración de los rayos UV en un
foco, haciendo que la cantidad captada de éstos sea menor.
Otro factor influyente es la discontinuidad de la acción
solar sobre una misma película de agua al estar
ésta en constante movimiento.

Por otro lado se debe tener en cuenta que
el recipiente es abierto, permitiendo a las bacterias el
permanente abastecimiento de O2. Esto es de suma importancia
debido a que las B.H.M.T. son aeróbicas,
encontrándose así en condiciones optimas de
reproducción y supervivencia.

En las muestras con catalizadores (ZnO y
TiO2) se observó una caída importante en la primera
hora de exposición. En las siguientes horas, el porcentaje
de disminución fue menor, manteniéndose casi
constante. Esto comprueba la conveniencia del uso de
catalizadores, debido a su eficacia para reducir las UFC en un
periodo de tiempo corto.

En los casos en que se utilizó
catalizador se observó que la temperatura no
influyó en la disminución de las UFC, ya que en
este tipo de reactor las temperaturas no superan los 30
°C.

Sin embargo, en la exposición de
agua sin catalizador no se registró actividad, sino que se
mantuvieron los valores de población bacteriana, tanto
H.M.T como para coliformes totales.

Comparando la acción
catalítica de ZnO y TiO2, se constató que el ZnO
tuvo un mejor accionar para la reducción de colonias
bacterianas (90%), mientras que el TiO2 mostró efectividad
pero en menor proporción (60%).

En el caso específico de bacterias
coliformes al contrastar ambos catalizadores se registra una
reacción similar: el ZnO alcanza mejores resultados
llegando a eliminar casi el total de UFC, cuando el TiO2 reduce
la población en un 88%. Aunque el TiO2 tiene una actividad
más rápida sobre las bacterias coliformes, al cabo
de 4 horas el ZnO alcanza mejores resultados.

Tanto para bacterias H.M.T. como para
bacterias coliformes totales la acción bactericida de los
catalizadores es más eficaz que en ausencia de
éstos, dando como resultado la casi total
eliminación de organismos. Esto es generado por la
reacción del catalizador con rayos UV en el agua que al
entrar en contacto con las bacterias, genera graves daños
en la permeabilidad celular, descomposición de la pared,
eliminación de nutrientes e inhibición del sistema
reproductor.

Cabe aclarar que las principales
diferencias se manifiestan entre la actividad de catalizadores y
la sola acción de rayos UV, siendo despreciable la
diferencia entre los efectos de ambos catalizadores. Esto
podría constatarse con el hecho que el agua sin el
catalizador tiende a un patrón de curvas
aritméticas iniciales (en CCP y RPE) y a partir de la
primera hora una curva logarítmica. Esto ocurriría
en CCP, manteniendo los valores de las UFC constantes en el
RPE.

Por el contrario las curvas de la
acción catalítica se asemejarían a un
patrón bifásico: exponencial inicial (0-1 h.) y
aritmética final (1-3 hs.); tanto para Agar Triptosoya
como para Agar Mc Conkey y en ambos reactores.

Para la elección y
optimización de un fotorreactor, se procedió a
comparar las tendencias de efectividad de cada muestra en ambos
reactores. De esta forma se infirió que el CCP obtuvo
mejores resultados, en tanto la cinética de muerte fue
mayor fue para B.H.M.T. y coliformes totales.

Una vez optimizado el fotorreactor se
continuó con la optimización del catalizador. Dicha
elección no pudo ser realizada, ya que ambos presentaron
curvas de caídas similares (con las mismas fases) y con
tendencias de disminución bacteriana parecidas. Como
resultado final, se obtiene la eliminación casi total de
B.H.M.T. y coliformes totales con ambos catalizadores.

Control químico

Es importante aclarar que los datos obtenidos en la
experiencia son los que nos permiten inferir el aumento de la
descomposición de compuestos clorados, brindando
información sobre las cantidades de los productos de la
reacción, y no sobre la cantidad de cloroformo
descompuesto.

Para analizar la descomposición de cloroformo en
ambos reactores se realizó una prueba piloto utilizando
agua destilada, de manera que los datos obtenidos sirvieron de
patrón para comprobar el aumento de CTR (Cloro Total
Residual) y CLR (Cloro Libre Residual) en cada caso. Esto se da
por la ruptura de la molécula de cloroformo por
acción de los rayos UV. Esta prueba se llevó a cabo
en agua destilada ya que al ser desmineralizada, no presenta
compuestos que puedan reaccionar con el cloro libre, formando
cloro combinado, alterando los resultados. En el caso de la
prueba piloto del RPE (figura 21), los datos obtenidos no fueron
exactos, porque las mediciones en el tiempo 0 no fueron
inmediatas a la preparación de la solución,
habiéndose producido reacciones hasta ese
momento.

En cuanto al CCP se demostró nuevamente la
conveniencia del uso de catalizadores, en este caso para la
obtención de aguas libre del contaminante orgánico
trihalometano, cloroformo (CHCl3).

La cantidad de CTR al igual que la del CLR
presentó un leve aumento en la primera hora de
exposición, observándose una curva de tipo
exponencial a partir de ésta.

Si bien los dos catalizadores fueron considerablemente
más efectivos que la sola acción del sistema
expuesto al sol, el TiO2 presentó aun una mayor actividad
con respecto al ZnO. Esto pudo deberse a la cantidad de
catalizador en suspensión con respecto a la adherida en
las paredes de la botella, lo que permitió un mayor
contacto con las moléculas del contaminante. Esto
provocó una aceleración en la fotolisis de la
molécula de CHCl3.

Por el contrario el ZnO se impregnó casi en su
totalidad a las paredes del recipiente, lo que pudo haber
limitado la acción descomponedora.

Por otra parte se observa un aumento del CLR en el caso
del agua sin tratamiento que puede explicarse por la gran
concentración de rayos solares sobre el dispositivo que
actúan directamente sobre las moléculas de CHCl3
descomponiéndolo. Esto da lugar a las distintas formas de
CLR (ácido hipocloroso y ión hipoclorito) y Cloro
Combinado (cloroaminas, trihalometanos, etc.) existentes,
incrementando así también el nivel de
CTR.

Con respecto al RPE, se registró una actividad
similar al CCP en presencia de catalizadores. Hubo una fase
aritmética en la primera hora de exposición, lo que
indica poca actividad descontaminante. Sin embargo, ésta
luego aumentó de manera exponencial en las siguientes dos
horas, debido al constante movimiento del agua con el catalizador
en suspensión. Esto significó un mayor contacto de
las moléculas de CHCl3 con TiO2 y ZnO, agilizando
así la reacción.

Acerca del agua sin tratamiento, no se registraron
cambios importantes en la formación de CLR ni CTR como
consecuencia de la falta de concentración de los rayos
solares que dan lugar a la fotólisis del
contaminante.

Se puede destacar la repetida tendencia del TiO2 como
catalizador con el cual se obtienen resultados óptimos de
descontaminación.

A su vez, si se realiza una comparación entre
ambos dispositivos es de notar, la mayor eficiencia del RPE. Para
ello se calculó el porcentaje de CLR en relación a
CTR, indicando que cuando mayor es este porcentaje, mas es la
cantidad de CLR con respecto al Cloro combinado.

Esto puso deberse al hecho de que el cloroformo se
descompone por acción del oxígeno sumado a la
acción de las radiaciones solares y los catalizadores. Al
ser el RPE un sistema abierto, la cantidad de oxígeno
obtenido fue mayor que en el CCP.

A la hora de comparar los catalizadores fue notable la
superioridad del TiO2 por sobre el ZnO. Una de las causas
principales que se puede mencionar es el hecho de que el Cl2 en
contacto con el agua, modifica su pH volviéndolo
más ácido y fue el dióxido de titanio el que
tuvo mayor eficacia ante pH menores.

Por último se obtuvo en general, que los niveles
de CTR obtenidos (que permiten inferir la descomposición
de la molécula de cloroformo) no alcanzaron en las 3 hs de
exposición de los reactores, la cantidad de cloroformo
incorporado al agua (0,68 mg/L), lo cual indicaría que no
se logra una descontaminación total del agua. Es por esto
que se infirió que el agua obtenida luego de la
experiencia, aún contenía remanentes de CHCl3 y por
lo tanto, no era recomendable para uso doméstico (0,2 mg/L
de CTR). El porcentaje de agua saneada en el RPE con TiO2 al
finalizar la experiencia, alcanzó aproximadamente un 50%
(figura 32) valores que se encuentran dentro del rango de
porcentaje permisible de CTR para aguas de uso recreativo (entre
1-2 mg/L).

Conclusión

En base a todas las experiencias realizadas y al
análisis de las mismas, se arribó a las siguientes
conclusiones:

• Se comprobó la eficacia del tratamiento de
  fotocatálisis heterogénea en agua contaminada
  para ambos reactores (RPE y CCP).

• Para realizar un control bacteriológico el
  fotorreactor más eficaz fue el Concentrador Cilindro
  Parabólico, mientras que no hubo diferencia en la
  actividad de ambos catalizadores, actuando de igual manera y
  con igual rapidez.

• Para el control químico se verificó
  que el fotorreactor más eficaz fue el RPE no
  concentrador, sin diferencias significativas sobre la
  acción fotocatalítica.

• Para el control bacteriológico se
  concluyó que luego de cuatro horas de
  exposición en el CCP se logró eliminar la
  totalidad de la población bacteriana coliforme,
  quedando el agua de esta manera apta para el
  consumo.

• Para el control químico en el RPE se logra la
  descomposición de moléculas cloradas. Sin
  embargo, al finalizar el tratamiento (3 horas de
  duración) el agua resulta ser apta para el uso
  recreativo, no así para el consumo humano.

Si bien se arribaron a conclusiones fundamentadas tanto
en la experiencia como en la teoría, se deberían
haber realizado más repeticiones y con más cambios
de variables. Así se obtendrían interpretaciones
más claras y confiables de las relaciones entre los
factores que pueden influir en la efectividad de los
fotorreactores y los catalizadores.

Se reconoce un error de experimentación: el
tiempo de exposición, el cual debió ser más
extenso para asegurar la certeza de los datos.

Como recomendaciones para futuras investigaciones en el
área de la fotocatálisis heterogénea, se
sugiere trabajar con métodos más rigurosos a la
hora de la cuantificación de cloro libre y total residual,
cantidad de UFC/ml. Además se deben tener en cuenta
factores ambientales externos (radiación UV, lluvias,
contaminación atmosférica por fuertes vientos) a la
hora de realizar las experiencias y construir los
reactores.

Bibliografía

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  Disease Registry, USA government, http://www.atsdr.cdc.gov/,
  December 8, 2011

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  HARLA

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  Suelos. www.catarina.udlap.mx.

• 4. BLANCO Julián, 2005, "El
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  Argentina,

• 5. Grup Ecologista Xoriguer.
  www.xoriguer.org. xoriguer@xoriguer.org.

• 6. Instituto Tecnológico de
  Celaya, "Cloración de Agua Potable".

• 7. MORA ALVARADO Darner y MATA
  SOLANO Ana Victoria, 2003, "Conceptos Básicos de aguas
  para consumo humano y disposición de aguas
  residuales", Laboratorio Nacional de Aguas.

• 8. Prefeitura Municipal de
  Campinas. www.2009.campinas.sp.gov.br

• 9. PSA España.
  www.psa.es.

• 10. RIOS Danilo, "Riesgos
  biológicos y subproductos de la desinfección en
  el agua de bebida", OSE (Obras Sanitarias del
  Estado).

• 11. SAWYER Clair y MC CARTY Perry,
  2000, "Química para Ingeniería Ambiental",
  Cuarta Edición, Edición
  Interamericana.

• 12. TORRICO M., Fuentes I., Flores
  F. Aplicación del dióxido de titanio para
  mejorar la eficiencia del método SODIS.
  2006

• 13. Toxicología Ambiental y
  Salud Publica, Departamento de Biología Aplicada –
  Universidad Miguel Hernández de Elche

• 14.  UNAM. www.sagan-gea.org.
  Sagan-gea@hotmail.com.

Agradecimientos

• A las profesoras Norma Pollet,
  Angélica Elizalde y Marta Bronstein por el
  asesoramiento teórico que nos brindaros durante este
  año y por el compromiso asumido con el
  grupo.

• A todas las profesoras del laboratorio
  por la paciencia y su buena voluntad ante cualquier duda o
  necesidad.

• A nuestras familias y amigos por
  contenernos y apoyarnos en este arduo camino.

• A Betina Minetti por la
  colaboración en materiales.

• A la profesora Alicia Rodríguez
  por administrar los gastos. Y a la escuela que
  sustentó nuestro proyecto.

• Al profesor Aldo Chaves por el
  compromiso, paciencia y tiempo dedicados a la
  realización de este proyecto.

Apéndice

Apéndice I

Apéndice II

Esterilización:

El proceso de esterilización de los elementos se
lleva a cabo en una olla a presión. Este recipiente
hermético permite trabajar a altas presiones y logra que
el agua alcance temperaturas superiores a su punto de
ebullición (121° aprox.).

La temperatura y el vapor actuando conjuntamente
producen la coagulación de las proteínas de los
microorganismos, entre ellas las esenciales para la vida y la
reproducción de estos, llevando así a su
destrucción.

Materiales:

• Olla a presión con una pequeña
  cantidad de agua

• Capuchones de papel madera

Procedimiento:

• Colocar a todos los elementos que se desee
  esterilizar, capuchones de papel madera.

• Ubicar los elementos dentro de la olla a
  presión.

• Dejar la olla a fuego medio hasta 20 min.
  después del primer hervor.

• Esperar que descienda la temperatura de la olla y
  sacar todos los elementos esterilizados cuidadosamente para
  evitar su contaminación.

Nota: este sistema de esterilización solo
será utilizado para aquellos elementos que sean de vidrio.
En el caso de los tapones de goma, se los esterilizará
sumergiéndolos en un vaso de precipitado que contenga
alcohol.

Apéndice III

Dilución:

La dilución en series es la reducción
progresiva de la concentración de una sustancia en
dilución. Por lo general el factor dilución en cada
paso es constante, lo que da como resultado una progresión
geométrica de la concentración en forma
logarítmica. Las diluciones en serie se utilizan para
crear disoluciones muy diluidas con precisión.

El factor dilución es el número total de
volúmenes al que se lleva un volumen dado de la muestra
original. Entonces el factor dilución también
corresponde a la división de la concentración de la
muestra original sobre la concentración de la muestra
diluida.

Si la solución buscada es 1:10 se toma un volumen
de la solución de 1 ml y se añaden 9
volúmenes del disolvente.

Factores de dilución muy grandes como 1:100 o
1:1000 se hacen mediante sucesivas diluciones consecutivas de
factor 1:10. En la siguiente etapa se toma una parte de la
disolución anterior y se agrega a los volúmenes del
disolvente.

Materiales:

• Tubos de ensayo con las muestras puras.

• 2 tubos de ensayo esterilizados por cada muestra
  pura.

• Jeringa con su respectiva aguja de 1 ml.

• Jeringa con su respectiva aguja de 10 ml.

• Tapones de goma previamente esterilizados con
  alcohol.

Procedimiento

Para lograr una disolución 1:10

• Se coloca 9 ml de solución fisiológica
  en un tubo de ensayo esterilizado, con la jeringa de 10
  ml.

• Se extrae con la jeringa más pequeña 1
  ml de la muestra pura.

• Se coloca dentro del tubo con solución
  fisiológica.

• Se coloca el tapón de goma.

• Se agita varias veces para lograr una mezcla
  homogénea.

Para lograr una disolución 1:100

• Se coloca 9 ml de solución fisiológica
  en un tubo de ensayo esterilizado, con la jeringa de 10
  ml.

• Se extrae con la jeringa más pequeña 1
  ml de la disolución anterior.

• Se coloca dentro del tubo con solución
  fisiológica.

• Se coloca el tapón de goma.

• Se agita varias veces para lograr una mezcla
  homogénea.

Apéndice IV

Medio de cultivo

Un medio de cultivo consiste en un gel o una
solución que cuenta con los nutrientes necesarios para
permitir el crecimiento de microorganismos.

Se presenta desecado en forma de polvo fino o granular,
antes de ser preparado. Al prepararse se encuentra en estado
sólido.

La Triptona Soya es un medio de cultivo altamente
nutritivo para una gran cantidad de microorganismos
exigentes.

Materiales:

• Agua destilada

• Triptona Soya en polvo

• Botellas de vidrio

• Tapones

• Cápsulas de Petri

• Estufa

Procedimiento:

• Preparar el medio vertiendo medio litro de agua cada
  20 g de Triptona Soya.

• Poner al fuego la solución y dejarla hasta
  unos instantes después del hervor.

• Verter el medio en estado líquido en las
  botellas de vidrio y tapar con los tapones.

• Una vez preparado el medio, esterilizarlo en la olla
  a presión.

• Luego de esterilizar el medio, llenar las
  cápsulas de Petri con éste. (Este procedimiento
  se realizará en la campana de
  esterilización).

• Dejar reposar las cápsulas unos minutos hasta
  que el medio quede en estado sólido.

• Guardar las cápsulas en la heladera boca
  abajo hasta el momento de utilizar.

• Al momento de su utilización, sacar las
  cápsulas de la heladera y llevarlas a la estufa hasta
  notar que se ha evaporado todo resto de agua.

Apéndice V

La parábola fue construida
según la ecuación: y= ½ x2

Apéndice VI

Apéndice VII

Apéndice VIII

Tablas

Conteo Bacteriológico CCP

Porcentaje de disminución de la
población bacteriana

Conteo Bacteriológico en
RPE

Pruebas Químicas

CCP

RPE

Autor:

Campagnón, Emilia

Gazal, Nahir G.

Gómez, Cecilia B.

Settembrino, Daniela A.

Taller de Integración Curricular con
Eje en Cs. Naturales

8vo CN2

Profesor: Chaves, Aldo Roberto

Universidad Nacional de
Córdoba

Escuela Superior de Comercio Manuel
Belgrano

Córdoba -Diciembre, 2011