"El agua es el vehículo de la
naturaleza.", Leonardo da Vinci.
"El agua es el elemento y principio de
las cosas.", Tales de Mileto.
"Lo que embellece al desierto es que en
alguna parte esconde un pozo de agua.", Antoine de Saint
Exupery.
Resumen
La protección y conservación de los
recursos naturales constituye hoy en día una de las
principales preocupaciones sociales. Entre éstos destaca
sobremanera el agua como un bien preciado y escaso, lo que
conduce a su adecuado uso y reciclaje. La necesidad de preservar
el medio ambiente ha llevado a la búsqueda de nuevos
métodos más eficientes para la eliminación
de compuestos químicos contaminantes, debido
fundamentalmente a su toxicidad o baja biodegradabilidad para
organismos vivos. A todo esto hay que añadir el hecho de
que las normativas legales imponen criterios cada vez más
estrictos para lograr una mayor y mejor depuración de las
aguas.
Los sistemas de tratamiento presentan diferentes
características que determinan su conveniencia en la
depuración de efluentes acuosos. En general, cuando la
materia orgánica contenida en las aguas residuales es
biodegradable, los procesos biológicos son los más
económicos y, en consecuencia, los más extendidos.
Sin embargo, en presencia de compuestos orgánicos no
biodegradables, en concentraciones elevadas o con
concentración o composición variable, es necesario
recurrir a otras alternativas de tratamiento.
El problema de la destrucción eficiente de estos
contaminantes ha contribuido al desarrollo de los llamados
procesos de oxidación avanzada (POA), que posiblemente
constituyan en un futuro próximo uno de los recursos
tecnológicos más utilizados en el tratamiento de
aguas contaminadas con productos orgánicos recalcitrantes.
Estos procesos implican la formación de radicales
hidroxilo (OH•), altamente reactivos al presentar un elevado
potencial de oxidación, actuando como iniciadores del
proceso de oxidación.
SUMMARY
The protección and conservation of natural
resources is today one of the main social concerns. Among these
greatly highlights water as a precious and scarce resource, which
leads to their proper use and recycling. The need to preserve the
environment has led to the search for new and more efficient
methods for removing contaminant chemicals, mainly due to its
biodegradability and low toxicity to living organisms. To all
this must be added the fact that the legal regulations impose
increasingly stringent criteria to achieve more and better water
purification.
Treatment systems have different characteristics that
determine their convenience in debugging aqueous effluents. In
general, when the organic matter contained in wastewater is
biodegradable, biological processes are the most economical and
therefore the most common. However, in the presence of
non-biodegradable organic compounds in high concentrations or
concentration or variable composition, it is necessary to resort
to other treatment alternatives.
The problem of efficient destruction of these pollutants
has contributed to the development of so-called advanced
oxidation processes (AOP), possibly in the near future constitute
one of the most technological resources used in the treatment of
water contaminated with recalcitrant organic products. These
processes involve the formation of hydroxyl radicals (OH), highly
reactive to provide a high oxidation potential , acting as
initiators of the oxidation process.
Marco
teórico
El Agua.
El agua (del latín aqua) es
una sustancia cuya molécula está
formada por
dos átomos de hidrógeno y uno
de oxígeno (H2O). Es esencial para la
supervivencia de todas las formas conocidas de vida. El
término agua generalmente se refiere a la sustancia en
suestado líquido, aunque la misma puede hallarse en
su forma sólida llamada hielo, y en su
forma gaseosa denominada vapor. El agua cubre el
71% de la superficie de la corteza terrestre. Se localiza
principalmente en los océanos donde se concentra
el 96,5% del agua total, los glaciares y casquetes
polares poseen el 1,74%, los depósitos subterráneos
(acuíferos), los permafrost y los glaciares
continentales suponen el 1,72% y el restante 0,04% se reparte en
orden decreciente entre lagos, humedad del suelo,
atmósfera, embalses, ríos y seres vivos. El agua es
un elemento común del sistema solar, hecho confirmado
en descubrimientos recientes. Puede ser encontrada,
principalmente, en forma de hielo; de hecho, es el material base
de los cometas y el vapor que compone sus
colas.
Desde el punto de vista físico,
el agua circula constantemente en
un ciclo de evaporación o transpiración (evapotranspiración),precipitación,
y desplazamiento hacia el mar. Los vientos transportan tanto
vapor de agua como el que se vierte en los mares mediante su
curso sobre la tierra, en una cantidad aproximada de 45.000
km³ al año. En tierra firme, la evaporación y
transpiración contribuyen con 74.000 km³ anuales al
causar precipitaciones de 119.000 km³ cada
año.
Se estima que aproximadamente el 70% del
agua dulce es usada para agricultura. El agua en la
industria absorbe una media del 20% del consumo mundial,
empleándose en tareas
de refrigeración, transporte y como
disolvente de una gran variedad de sustancias químicas. El
consumo doméstico absorbe el 10% restante.
Figura 1.1-1
Molécula del Agua
Fuente:http://www.educadores.diaadia.pr.gov.br/modules/mylinks/viewcat.php?cid=16&letter=A&min=50&orderby=titleA&show=10
Aguas Residuales.
La contaminación actúa sobre el medio
ambiente acuático alterando el delicado equilibrio de los
diversos ecosistemas integrado por organismos productores,
consumidores y descomponedores que interactúan con
componentes sin vida originando un intercambio cíclico de
materiales.
Aunque el hombre no es un ser acuático, ha
llegado a depender intensamente del medio ambiente
acuático para satisfacer sus necesidades
tecnológicas y sociales.
El hombre continúa utilizando el agua con su
contaminación. Es difícil eliminar los
contaminantes y si el agua original tiene gran proporción
de minerales, el problema se complica.
No se pretende afirmar que antes de llegar el hombre con
su tecnología, el agua era pura. Aún después
de la aparición del hombre, transcurrieron muchos
años antes de que hubiera ningún cambio en el
ambiente. Cuando las poblaciones empezaron a verter sus desechos
en ríos y lagos fue cuando las aguas se
deterioraron.
Las aguas residuales constituyen un importante foco de
contaminación de los sistemas acuáticos, siendo
necesarios los sistemas de depuración antes de evacuarlas,
como medida importante para la conservación de dichos
sistemas.
Las aguas residuales, contaminadas, son las que han
perdido su calidad como resultado de su uso en diversas
actividades. También se denominan vertidos. Se trata de
aguas con un alto contenido en elementos contaminantes, que a su
vez van a contaminar aquellos sistemas en los que son
evacuadas.
Del total de vertido generado por los focos de
contaminación, sólo una parte será recogida
en redes de saneamiento, mientras que el resto será
evacuado a sistemas naturales directamente.
Figura 1.2-1
Aguas Residuales
Fuente:
http://telenocheonline.com/aumento-el-uso-de-aguas-residuales-tratadas-en-el-mundo/
Tipos de aguas residuales
Aguas residuales industriales
Son aquellas que proceden de cualquier actividad o
negocio en cuyo proceso de producción,
transformación o manipulación se utilice el agua.
Son enormemente variables en cuanto a caudal y
composición, difiriendo las características de los
vertidos no sólo de una industria a otro, sino
también dentro de un mismo tipo de industria.
A veces, las industrias no emites vertido s de forma
continua, si no únicamente en determinadas horas del
día o incluso únicamente en determinadas
épocas de año, dependiendo del tipo de
producción y del proceso industrial. También son
habituales las variaciones de caudal y carga a lo largo del
día.
Son mucho más contaminadas que las aguas
residuales urbanas, además, con una contaminación
mucho más difícil de eliminar.
Su alta carga unida a la enorme variabilidad que
presentan, hace que el tratamiento de las aguas residuales
industriales sea complicado, siendo preciso un estudio
específico para cada caso.
Tipos De Contaminantes
Actualmente, la contaminación de los cauces
naturales tiene su origen entres fuentes:
Contaminantes
orgánicos
Son compuestos cuya estructura química
está compuesta fundamentalmente por carbono,
hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Son los
contaminantes mayoritarios en vertidos urbanos y vetados
generados en la industria agroalimentaria.
Los compuestos orgánicos que pueden aparecer en
las aguas residuales son:
Proteínas: proceden
fundamentalmente de excretas humanas o de desechos de productos
alimentarios. Son biodegradables, bastante inestables y
responsables de malos olores.
Carbohidratos: incluimos en este grupo
azúcares, almidones y fibras celulósicas. Proceden,
al igual que las proteínas, de excretas y
desperdicios.
Aceites y grasas: altamente estables,
inmiscibles con el agua, proceden de desperdicios alimentarios en
su mayoría, a excepción de los aceites minerales
que proceden de otras actividades.
Otros: incluiremos varios tipos de
compuestos, como los tensoactivo, fenoles, organoclorados y
organofosforados, etc. Su origen es muy variable y presentan
elevada toxicidad.
Contaminantes
inorgánicos
Son de origen mineral y de naturaleza variada: sales,
óxidos, ácidos y bases inorgánicas, metales,
etc.
Aparecen en cualquier tipo de agua residual, aunque son
más abundantes en los vertidos generados por la
industria.
Los componentes inorgánicos de las aguas
residuales estarán en función del material
contaminante así como de la propia naturaleza de la fuente
contaminante.
Contaminantes habituales en las aguas
residuales
Arenas
Entendemos como tales una serie de particular de
tamaño apreciable y que en su mayoría son de
naturaleza mineral, aunque pueden llevar adherida materia
orgánica. Las arenas enturbian las masas de agua cuando
están en movimiento, o bien forman depósitos de
lodos si encuentran condiciones adecuadas para
sedimentar.
Grasas y aceites
Son todas aquellas sustancias de naturaleza
lipídica, que al ser inmiscibles con el agua, van a
permanecer en la superficie dando lugar a la aparición de
natas y espumas. Estas natas y espumas entorpecen cualquier tipo
de tratamiento físico o químico, por lo que deben
eliminarse en los primeros pasos del tratamiento de un agua
residual.
Residuos con requerimiento de
oxígeno
Son compuestos tanto orgánicos como
inorgánicos que sufren fácilmente y de forma
natural procesos de oxidación, que se van a llevar a cabo
con u con sumo de oxígenos del medio. Estas oxidaciones
van a realizarse bien por vía química o bien por
vía biológica.
Nitrógeno y
fósforo
Tienen un papel fundamental en el deterioro de las masas
acuáticas. Su presencia en las aguas residuales es debida
a los detergentes y fertilizantes, principalmente. El
nitrógeno orgánico también es aportado a las
aguas residuales a través de las excretas
humanas.
Figura 1.2-2
Caracterización de Aguas
Residuales
Fuente:
http://www.mailxmail.com/curso-agua-calidad-contaminacion-2-2/aguas-residuales
Procesos de Oxidación Avanzada
(POA).
La industria alimentaria necesita tratar las aguas
residuales derivadas de su actividad. En determinados casos,
debido a la complejidad de las aguas o a la presencia de
contaminantes específicos como, por ejemplo, los
pesticidas, no son adecuados los tratamientos convencionales y
son necesarias técnicas de oxidación avanzada que
garanticen su reducción y/o eliminación con el
objetivo final de reutilizar o verter el agua tratada. ¿En
qué consisten estas técnicas?
Los Procesos de Oxidación Avanzada (Advanced
Oxidation Processes (AOPs) implican la generación de
radicales hidroxilo (OH•), de potencial de oxidación
mucho mayor que el de otros oxidantes tradicionales (ozono,
peróxido de hidrógeno, cloros. Los AOPs son
procesos físico-químicos capaces de producir
cambios profundos en la estructura química de los
contaminantes.
Figura 1.3-1
Oxidación Avanzada
Fuente:
http://www.aguasin.com/category/areas/05-L/desinfeccion/oa.php
¿Qué aplicaciones se pueden dar en
agua?
Reducción / eliminación de
contaminantes persistentes, refractarios que no son tratables
mediante procesos físico-químicos y
biológicos convencionales (pesticidas, fármacos,
surfactantes, etc.
Aumentar la biodegradabilidad de las aguas
para poder ser tratadas mediante procesos biológicos
convencionales.
Mejorar la calidad de las aguas tratadas:
post-tratamientos de los vertidos tratados para su
reutilización.
En general, los procesos de oxidación
avanzada han seguido dos vías de
desarrollo.
Fotones, electrones y combinaciones de
éstos (O3/UV, O3/H2O2/UV, H2O2/UV) para iniciar el proceso
de oxidación.
Oxidación húmeda, tanto en
condiciones suscriticas como supercríticas.
Las principales ventajas de los POA son las
siguientes:
– Capacidad potencial para llevar a cabo una profunda
mineralización de los contaminantes orgánicos y
oxidación de compuestos inorgánicos hasta
dióxido de car- bono e iones (cloruros,
nitratos…).
– Reactividad con la inmensa mayoría de
compuestos orgánicos, hecho especialmente interesante da-
do que el tratamiento biológico secundario y los
tratamientos químicos convencionales no consiguen una
adecuada degradación de ciertos contaminantes.
– Descomposición de los reactivos utilizados como
oxidantes en productos inocuos.
Por otro lado, presentan el inconveniente de un elevado
coste, especialmente en lo que respecta al ozono y la
radiación ultravioleta.
Entre los procesos de oxidación avanzada con
mayores perspectivas de futuro se encuentra la foto-
oxidación en sus dos variantes: fotólisis y
fotocatálisis, tanto homogénea (UV-H2O2,
Fotofenton, como heterogénea (UV-TiO2). En el presente
documento se ha realizado una revisión de los POA,
centrándonos en el estudio de los procesos de
fotooxidación.
En general, en el tratamiento de efluentes industriales
se precisa de reacciones oxidativas enérgicas. Si bien en
algunos casos la fotólisis (oxidación por
radiación UV) ha dado buenos resultados, normalmente no es
suficiente para conseguir la ruptura de los enlaces más
estables, de ahí que sea necesaria la adición de un
catalizador que mejore la eficiencia del proceso. En este caso se
habla de fotocatálisis, que a su vez puede ser
homogénea, donde el oxidante adicional
(H2O2, O3) y el catalizador (sales de Fe) están
en disolución, o heterogénea, cuando el catalizador
no se encuentra en fase acuosa (TiO2, Al2O3).
En consecuencia, el desarrollo de la aplicación
de la radiación UV al tratamiento de efluentes
industriales pasa fundamentalmente por la combinación de
ésta con el efecto producido por la adición de
otros oxidantes, de ahí la denominación "procesos
de oxidación avanzada". Entre los oxidantes utilizados
junto a la radiación UV destacan sobremanera el ozono y el
peróxido de hidrógeno. Además, se pueden
encontrar aplicaciones del H2O2 bien sólo o en
combinación con una sal de hierro, dando lugar a lo que se
conoce como Fotofenton.
Fotolisis.
Figura 1.4-1
Fotolisis del Agua
Fuente:
http://www.artinaid.com/2013/04/como-funciona-la-fotosintesis/
En presencia de radiación UV se produce la
fotólisis de un gran número de compuestos
orgánicos. El proceso, que tiene lugar en el dominio del
UV-C (210-230 nm), se basa en la formación de radicales
C-centrados según la siguiente reacción:
R + h? = R •
La eficacia del proceso depende fundamentalmente de la
capacidad de absorción de radiación del sustrato y
de la presencia de otros compuestos que absorben a la misma
longitud de onda.
En los tratamientos de oxidación
fotolíticos normalmente se utilizan lámparas de
vapor de mercurio de baja presión (254 nm, 471 kJ/mol),
empleadas tanto en desinfección como en depuración
de aguas. Sin embargo, es deseable llegar a longitudes más
bajas (170-200 nm), ya que llevan asociada una mayor
energía (704-598 kJ/mol) y son más eficaces en la
rotura de los enlaces de los compuestos orgánicos. Por
tanto, una de las líneas de trabajo actual en esta
tecnología se centra en desarrollar lámparas
más eficaces para estos usos.
En consecuencia, el empleo de tratamientos de
oxidación y desinfección fotolítica
está condicionado por la transmisividad de las aguas a
tratar (especialmente si el contenido en sólidos en
suspensión es elevado) y el desarrollo tecnológico
de las lámparas. Asimismo, la mejora en la eficiencia del
sistema pasa por el desarrollo de nuevos catalizadores y
disposiciones de éstos que mejoren los rendimientos
obtenidos.
Un aspecto a tener muy en cuenta es la presencia de
oxígeno en el proceso de oxidación, tal y como
queda recogido en el trabajo de Heit (1997), y fundamentalmente
en la fotólisis. Se ha probado la existencia de diferentes
reacciones en función de la distancia a la fuente de
radiación, debido a la di- concentración de
oxígeno presente. Durante la fotólisis de la
materia orgánica disuelta se representan las siguientes
reacciones:
Los radicales hidroxilos generados por la rotura de las
moléculas de H2O en presencia de radiación UV
reaccionan con el sustrato orgánico (RH). Como resultado,
se forman radicales C-centrados que reaccionan con el
oxígeno molecular disuelto generando radicales peroxilo,
los cuales son bastante estables. Si el O2 disuelto está
ausente o en concentración insuficiente de oxígeno
disuelto, estos radicales C-centrados pueden reaccionar, bien por
recombinación, bien por dismutación. Es- tas
reacciones secundarias conducen a la formación de
oligómeros y polímeros que pueden precipitar sobre
la superficie de la lámpara, reduciendo el flujo de
fotones incidentes. Por otra parte, los radicales peroxilo son
iniciadores de las reacciones térmicas en cadena,
aumentando el porcentaje de mineralización. Además,
el oxígeno reacciona con los átomos de
hidrógeno, lo cual resulta favorable para la
mayoría de las reacciones de reducción.
Fotocatálisis homogénea con
peróxido de hidrógeno.
El peróxido de hidrógeno es un potente
agente oxidante no selectivo y una buena fuente de radicales
libres. Es además un aditivo deseable
ecológicamente, ya que genera en su descomposición
únicamente agua y/o oxígeno.
Desde finales de los años sesenta, numerosos
autores han estudiado la fotooxidación con peróxido
de hidrógeno. El éxito del proceso radica en la
formación estequiométricos de radicales hidroxilo
(OH•) a partir de la descomposición foto-
catalítica del H2O2:
H2O2 + h? ? • OH + • OH
El rendimiento cuántico de este pro- ceso es muy
elevado, formándose como máximo dos radicales
hidroxilo por cuanto absorbido, e invariable con la longitud de
onda aplicada.
Al igual que en la fotólisis, a partir de los
(OH•) se forman los radicales C-centrados, que en presencia
de oxígeno generan radicales peroxilo, intermedios claves
en las reacciones de oxidación, y la completa
mineralización de los compuestos. Los radicales hidroxilos
reaccionan con la materia orgánica según las
siguientes reacciones generales:
Cabe señalar que los radicales hidroxilos no
reaccionan, o lo hacen lentamente, con alcanos polio per-clorados
o fluorados, ya que no pueden generar radicales C-centra- dos por
abstracción del halógeno.
Finalmente, aunque habitualmente en la activación
del peróxido de hidrógeno se emplea una longitud de
onda de 254 nm, se obtendrían mejores resultados a
longitudes de onda más enérgicas, de 210 a 230 nm,
que aumentan la sección transversal de absorción de
dicho compuesto.
Fotocatálisis homogénea con
reactivo Fenton (Fotofenton).
La adición de sales de hierro como catalizador en
presencia de peróxido de hidrógeno, conocida como
reactivo Fenton, es uno de los métodos clásicos de
producción de radicales hidroxilo, resultando así
uno de los agentes oxidantes más potentes a pH
ácido (pH 3-5). El hierro puede ser añadido como
sal ferrosa o férrica, siguiendo las siguientes
reacciones:
Estos radicales inician una cadena de reacciones para
eliminar toda la materia oxidable. En concreto, los radicales
hidroxilo reaccionan con compuestos orgánicos, generando
radicales orgánicos (C-centrados) que aceleran el grado de
oxidación.
Aunque el reactivo Fenton es un potente e indiscriminado
agente oxidante, existen especies resistentes al mismo como los
alcanos clorados (tetracloroetano, tricloroetano, cloroformo),
n-parafinas y ácidos carboxílicos de cadena corta
(maleico, oxálico, acético,
malónico).
Recientemente se ha descubierto cómo la
radiación UV/visible acelera las reacciones Fenton (H2O2/
Fe+3, Fe+2), favoreciéndose así el grado de
degradación de contaminantes orgánicos, incluidos
compuestos aromáticos y alifáticos. Este reactivo
presenta una mayor efectividad a pH ácido. Sin embargo, la
aparición de hidróxidos de hierro como precipitados
coloidales hace necesaria su separación mediante un
proceso adicional de tipo coagulación,
sedimentación o filtración. Además, algunos
intermedios de reacción pueden alterar la reactividad del
hierro debido a la formación de complejos.
Fotocatálisis con dióxido de
titanio.
En el caso de la fotocatálisis
heterogénea, existen referencias de aplicaciones con
múltiples semiconductores como Al2O3, ZnO, Fe2O3 y
TiO2.
Sin embargo, el más ampliamente utilizado es el
dióxido de titanio, ya que presenta una mayor actividad
fotocatalítica, no es tóxico, es estable en
soluciones acuosas y no es demasiado caro, habiéndose
evaluado diferentes estructuras del mismo. El mecanismo de
reacción que tiene lugar en este caso es el siguiente: un
semiconductor (tipo n) absorbe energía radiante de
longitud de onda inferior a la correspondiente al "bandgap",
generándose los correspondientes pares electrón
hueco. Estos pares son capaces de catalizar reacciones de
oxidación-reducción en la superficie del conductor,
siempre que las especies presentes en disolución posean el
potencial adecuado.
Figura 1.7-1
Fotocatálisis con dióxido
de titanio
Fuente:http://es.wikipedia.org/wiki/Procesos_de_oxidaci%C3%B3n_avanzad
Cuando se irradia TiO2 en forma de anatasa a una de
longitud de onda inferior a 400 nm, se genera un exceso de
electrones (e-) en la banda de conducción y huecos
positivos (h+) en la banda de valencia:
Figura 1.7-2
Foto Oxidación.
Fuente:http://www.ambientalsocoter.cl/neweb/index.php?option=com_content&view=article&id=54&Itemid=87
a) Longitud de onda e intensidad de la
luz
El dióxido de titanio absorbe longitudes de onda
inferiores a 400 nm, que corresponden al espectro ultravioleta.
Cualquier radiación de estas características
tendrá la capacidad de generar en el semiconductor pares
electrón-hueco. La distancia de penetración de los
fotones dentro de la partícula de TiO2 es más corta
cuanto menor es la longitud de onda, ya que son absorbidos por
las moléculas del semiconductor con más fuerza.
Debido a esto, el empleo de longitudes de onda más cortas
(UV-C) genera los pares electrón-hueco más cerca de
la superficie, siendo menor el tiempo empleado para la
migración de estos pares electrón- hueco hasta la
superficie de la partícula y, por tanto, menores las
posibilidades para que ocurra la re- combinación de los
mismos antes de que se produzcan en la superficie de la
partícula las reacciones con las especies químicas
presentes en el agua. En conclusión, el aprovechamiento de
la energía absorbida es mayor cuanto menor es la longitud
de onda empleada.
b) Catalizador
Cuanto mayor sea la dosis de catalizador, mayor
será en principio la eficacia obtenida, si bien el efecto
de la turbidez ocasionada por sus partículas
también aumenta, dificultando la difusión de la luz
UV. De ahí que la concentración empleada en la
mayor parte de los estudios realizados se encuentre entre 0,5 y 1
g/L. En lo que respecta a su disposición, el
dióxido de titanio puede estar en suspensión o
inmovilizado.
Como se ha comentado anterior- mente, se trata de un
compuesto no considerado como tóxico o peligroso. No
obstante, la utilización de partículas de TiO2
ocasiona la aparición de sólidos en
suspensión, parámetro limitado por la
legislación en materia de vertidos. Por tanto, es
necesario separar las partículas de TiO2 de las aguas
trata- das antes de su vertido o reutilización, siendo
éste uno de los principales inconvenientes a la hora de
aplicar esta tecnología debido a su reducido
tamaño. Para su separación se pueden utilizar
técnicas de filtración, que encarecerían el
tratamiento. La aplicación de técnicas de
decantación, dado el reducido peso y tamaño de las
partículas a separar, obliga a tiempos de residencia
excesivos para que el proceso resulte económico. Para
solucionar este problema existen dos posibles
alternativas:
1) Aumentar el tamaño de las
partículas o adherirlas a soportes (vidrio,
policarbonato, estireno, etc.) de mayor tamaño para
mejorar la decantación.
2) Evitar utilizar el catalizador en
suspensión, depositándolo sobre las paredes
iluminadas del fotorreactor o sobre materiales transparentes a la
radiación (membranas de fibra de vidrio, acetilcelulosa,
etc.), o preparando membranas porosas de TiO2.
c) Efecto del O2
Los huecos generados en la fotocatálisis producen
radicales hidroxilo en la interface del semiconductor con el
agua. Por otro lado, los electrones generados requieren una
especie aceptora de electrones, evitando de esta forma la
recombinación de éstos con los huecos. Así,
el oxígeno molecular actúa como aceptor de
electrones, generándose el radical su- peróxido
promotor de más radicales hidroxilos tras su
reacción con moléculas de agua.
La presencia de oxígeno es, por tanto, esencial
para que se produzca una oxidación efectiva. Por otro
lado, una aireación controlada permite la continua
suspensión del catalizador en la disolución,
favoreciendo una degradación más
homogénea.
d) Efecto del pH
Aparentemente el pH no afecta notablemente a este
tratamiento, ya que se han obtenido buenos resultados empleando
TiO2 como catalizador a diferentes rangos de pH.
e) Efecto de la calidad del agua a
tratar
La presencia de turbidez, sólidos en
suspensión y materia orgánica e inorgánica
en el agua a tratar puede restar eficacia a la oxidación
fotocatalítica con TiO2. La turbidez interfiere en la
interacción de la luz ultravioleta y el catalizador,
reduciendo la eficacia de la reacción de
detoxificación.
Otras técnicas de oxidación
avanzada.
Además de los procesos fotocatalíticos,
existen otras técnicas de oxidación avanzada con
probada implantación o en fase de desarrollo. A
continuación se describen breve- mente las más
representativas.
Ozonización
El ozono es una variedad alotrópica del
oxígeno con un poder oxidante superior al de éste.
Desde principios de siglo es conocida su acción
desinfectante; sin embargo, es en los últimos veinte
años cuan- do este agente químico ha adquirido una
gran importancia en el tratamiento de aguas.
A pesar de su elevado poder oxidante, las reacciones del
ozono con la materia orgánica son bastante selectivas y
dependen considerablemente del pH del medio. Este hecho, junto
con el elevado consumo energético requerido para su
producción a partir de oxígeno, ha provocado su
utilización en el tratamiento de aguas residuales en
combinación con otros oxidantes (UV, H2O2), que
contribuyen a aumentar la eficiencia del proceso, centrando la
degradación en el poder oxidante del radical hidroxilo
(menos selectivo) y no propiamente del ozono.
Oxidación
húmeda
En estos procesos, las aguas residuales con carga
orgánica se mezclan con aire u oxígeno a altas
presiones (en torno a 15 bar) y altas temperaturas (entre 175 y
325ºC). Bajo estas condiciones se consigue la total
oxidación de una gran variedad de compuestos
orgánicos.
Oxidación
electroquímica
La oxidación anódica ha sido estudiada
como un método adecuado para la destrucción de
compuestos orgánicos en efluentes industriales. Esta
técnica supone la transferencia directa de un
electrón desde el compuesto orgánico hasta el
electrodo, formándose así un radical
catiónico. Entre las desventajas que presentan este tipo
de procesos destaca la dificultad en conseguir- se la completa
mineralización de los compuestos a tratar.
Oxidación por
ultrasonidos
En los últimos años se está
investigando sobre la oxidación de aguas residuales
mediante la técnica de ultrasonidos. Numerosos autores han
estudiado cómo esta tecnología posibilita la
oxidación de numerosos contaminantes orgánicos,
debido a la formación de radicales hidroxilo por ruptura
de la molécula de agua:
Su eficiencia depende de parámetros como
frecuencia e intensidad de las ondas, gas saturado en la so-
lución acuosa, presencia de catalizador, pH, temperatura,
fuerza iónica y concentración inicial de los
contaminantes.
La combinación de ultrasonidos con otros agentes
oxidantes (H2O2, O3, reactivo Fenton) o incluso con otros
procesos degradativos (foto- oxidativos, presentan a esta
técnica como una nueva y potencial herramienta para la
degradación de efluentes contaminados.
Parte
experimental
Metodología experimental para las pruebas
de fotooxidación
Reactor de footooxidación.
Para realizar las pruebas experimentales de
fotooxidación se debe utilizar un fotorreactor tubular con
recirculación, que consiste de un estanque de
acumulación, un fotorreactor anular, una bomba
peristáltica y un tubo de refrigeración. La
lámpara utilizada es de baja presión de mercurio
monocromática cuya longitud de onda es de 253,7 nm y la
potencia de 40 Watt, Marca Biolight, Modelo TM-40, el
diámetro de lámpara es de 16 mm y el largo de 900
mm. La lámpara protegida por un tubo de cuarzo fue
introducida en un tubo de PVC de 32 mm de diámetro externo
y 2 mm de espesor. Para la circulación del efluente se
utilizó una bomba peristáltica marca Manostat a una
razón de 580 ml/min. El estanque utilizado para contener
el efluente fue de acrílico y tiene un volumen de 4,5
L.
Medición del color del
efluente
Para medir la disminución del color del efluente
se debe realizar una barrido del espectro de absorbancia a cada
muestra recopilada durante el proceso de fotooxidación, en
el rango visible de los 400-700 nm, con lo cual se obtiene el
espectro del efluente durante la reacción. Luego se
determinó el área bajo la curva para cada espectro
de absorbancia (IA). Conociendo el área del espectro de
absorbancia del efluente original se estima el porcentaje de
disminución del color de cada muestra con la
expresión presentada a continuación.
IA: Integral del espectro de la muestra a tiempo t de
reacción.
IAo: Integral del espectro del efluente.
Medición de la demanda química de
oxígeno (DQO)
Para la determinación de la DQO se debe utilizar
el método semi-micro, Marín 1995. Para la
estandarización del método se debe utilizar una
solución madre de Biftalato de potasio, a partir de la
cual se obtiene mediante dilución soluciones
estándares de 200, 400, 600, 800 (mg/L DQO). Estas
soluciones estándar fueron sometidas a digestión y
valoradas con solución FAS a modo estandarizar el
método. Para medir la DQO del efluente durante la
reacción se tomaron muestra de 2,5 ml, a la cual se le
añade 2,5 ml de solución digestora y 3,5 ml de
solución catalítica. Posteriormente se realiza la
digestión por 2 horas a 150 ºC. La solución
resultante se valora con solución FAS. Al momento de tomar
la muestra se debe agregar 0,03 g MnO2 para descomponer el
peróxido de hidrógeno residual. Posteriormente se
diluye cada muestra 1:10 o 1:5 dependiendo del rango de DQO de la
muestra.
Pruebas de fotooxidación.
Para realizar las pruebas de fotooxidación se
seleccionaron muestras de diferentes puntos del proceso de
acabado y del estanque de neutralización de los efluentes.
En la Tabla se muestran los RILES estudiados junto con las
concentraciones de peróxido que deben ser
utilizados.
El peróxido utilizado tendrá una
concentración 30% V/V. La temperatura durante las pruebas
experimentales no deben variar mucho es decir su rango debe ser
muy corto.
Conclusiones
Con los procesos de oxidación avanzada se pueden
tener las siguientes ventajas:
Puede alcanzarse la mineralización total de
los contaminantes orgánicos.Usualmente no generan lodos que requieren
tratamiento y/o eliminación.Son muy útiles para eliminar contaminantes
refractarios que resisten otros métodos de
tratamiento, principalmente el biológico.Sirven para tratar contaminantes a muy baja
concentración.Se usan para disminuir la toxicidad de los
efluentes.
Bibliografía
"Water Treatment Handbook, Degrémont", 6a
Edición. Editorial Lavoisier Publishing, Paris
(1991).O. Legrini, E. Oliveros y A.M. Braun, Chem. Rev.,
93, 671-698 (1993).US/EPA Handbook of Advanced Photochemical Oxidation
Processes, EPA/625/R-98/004 (1998).The AOT Handbook, Calgon Carbon Oxidation
Technologies, Ontario (1996).G.R. Helz, R.G. Zepp y D.G. Crosby Editores. Lewis,
Boca Raton, FL, EEUU (1994).
A nuestros amigos y compañeros de clase porque
con ellos cada día de estudio y aprendizaje se transforman
en días que formaran parte de nuestras vidas para
siempre.
Autor:
Robinson José Haro
Flores
Geovanny Patricio Estrada
Borja
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR
FACULTAD DE INGENIERÍA
QUÍMICA
ELECTROQUÍMICA
Trabajo de Investigación
Tema: "Tratamiento De Aguas Residuales
Mediante Procesos de Oxidación avanzada."
Profesor: Juan Tacoronte
Semestre: Cuarto
Septiembre 2013 – Febrero 2014
El Trabajo de Investigación
Ha sido realizado por alumnos de la
cátedra de electroquímica de la Facultad de
Ingeniería Química de la Universidad Central del
Ecuador.
Quito – Ecuador