Por: •ANGELA MARÍA CARVAJAL GÓMEZ.
•LEIDY JOHANA JIMÉNEZ COQUECO.
Director: VLADIMIR ARIAS RAMÍREZ QUÍMICO INDUSTRIAL
ESTUDIANTE DE MAESTRIA EN QUÍMICA.
1
2
Uso de Compuestos Orgánicos Sintéticos en su mayoría de baja biodegradabilidad
Capacidad de autodepuración de ríos y quebradas se ha saturado.
Anualmente se producen 450 Km3 de aguas residuales a nivel mundial y se requieren 6.000 Km3 de agua limpia para diluir los desechos.
JIMENEZ, Yamell. Procesos de destoxificación solar: Retos y perspectivas de aplicación en el siglo XXI. Colombia: Revista Amazónica de la Universidad Estatal Amazónica. Junio 2010. vol. 1 No. 1 (65-66) p.
INTRODUCCIÓN
3
TRATAMIENTOS CONVENCIONALES
Materia Disuelta: • Precipitación
• Separación con membranas selectivas
• Adsorción
Tratamiento Biológico: • Sistemas aerobios
• Sistemas anaerobios • Sistemas anóxicos
Materia en Suspensión: • Sedimentación
• Floculación • Flotación • Coagulación
PRATO, Dorian. Tratamiento de aguas residuales industriales fenólicas sintéticas mediante procesos avanzados de oxidación. [Tesis. Maestro en Ciencias en Ingeniería Química]. México D.F. Universidad Iberoaméricana. 2007. p. 24-27
INTRODUCCIÓN
4
PROCESOS AVANZADOS DE
OXIDACIÓN
DOMÈNECH , Xavier. JARDIM, Wilson. LITTER, Marta. Procesos avanzados de oxidación para la eliminación de contaminantes. Parte 1. Argentina: CONICET
Cuadro: Las Tecnologías Avanzadas de Oxidación
Fotocatálisis heterogéneaFotocatálisis heterogénea
TRATAMIENTOS CONVENCIONALES
INTRODUCCIÓN
5
FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA
hhνν ≥≥ 3,2 eV3,2 eV
h BV +
e BV -
oo 22
H O 2
FotoFoto--oxidaciónoxidación
EE GG TiOTiO 22
PROCESOS AVANZADOS DE
OXIDACIÓN
TRATAMIENTOS CONVENCIONALES O
INTRODUCCIÓN
6
PARÁMETROS QUE INFLUYEN EN LA FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA
RadiaciónRadiación
Agente OxidanteAgente Oxidante CatalizadorCatalizador
FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA
PROCESOS AVANZADOS DE
OXIDACIÓN
TRATAMIENTOS CONVENCIONALES
INTRODUCCIÓN
7
ACTIVIDAD INDUSTRIAL TRATAMIENTOS
CONVENCIONALES
PROCESOS AVANZADOS DE
OXIDACIÓN
FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA
ÁCIDO 3,5
-DINITROSALICÍLICO
Ácido 3,5 Dinitrosalicílico
Ácido 3 Amino, 5 Nitrosalicílico
Glucosa
Glucosa Oxidada
INTRODUCCIÓN
8
¿Es la fotocatálisis heterogénea con TiO2 en un Reactor heliofotocatalítico tipo CPC, un método adecuado para degradar el
ácido 3,5-dinitrosaliciílico generado en la Escuela de Química de la Universidad Tecnológica de Pereira, que permita su vertimiento a cuerpos
hídricos con un impacto ambiental mínimo?
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
pregunta de Investigación.
9
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Realizar el estudio de la degradación fotocatalítica del Ácido 3,5-Dinitrosalicílico bajo las condiciones óptimas en un reactor heliofotocatalítico tipo Cilindro Parabólico Compuesto (CPC) y en un reactor tipo batch
10
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar las mejores condiciones de pH, Peróxido y Dióxido de Titanio para la degradación del Ácido 3,5-Dinitrosalicílico en el reactor heliofotocatalítico tipo Cilindro Parabólico Compuestos (CPC).
Determinar la cinética de la fotodegradación del Ácido 3,5-Dinitrosalicílico.
Determinar el porcentaje de degradación primaria del Ácido 3,5-Dinitrosalicílico usando espectrofotometría UV y degradación secundaria mediante medidas de Demanda Química de Oxígeno (DQO), Demanda Biológica de Oxígeno (DBO5) y Carbono Orgánico Total (COT).
Realizar el ensayo de actividad biológica en Artemia salina para el proceso de fotodegradación a las condiciones óptimas, y establecer una aproximación al efecto tóxico del producto final.
METODOLOGÍA
Reactor de Lámparas UV. Tipo Batch
Reactor de Lámparas UV.
Tipo Batch
11
METODOLOGÍA
1. Pruebas de degradación del DNS sintético con diferentes combinaciones de pH, TiO2 (Anatasa 100%) y H2O2 (Comercial al 50%) en un tiempo determinado de cuatro horas.
2.
la interpretación de los datos se realizó mediante el método estadístico de diseño experimental de análisis de varianza,
ANOVA.
Estudio de la Cinética de degradación del DNS sintético.
Reactor de Lámparas UV.
Tipo Batch
12
METODOLOGÍA
Reactor de Lámparas UV.
Tipo Bach
Reactor Heliofotocatalítico Tipo CPC
Reactor Heliofotocatalitico
Tipo CPC
13
METODOLOGÍA
Reactor de Lámparas UV.
Tipo Bach
3. Degradación de desechos recogidos del laboratorio en el reactor Heliofotocatalítico tipo CPC bajo las condiciones óptimas.
4. Mediciones Químicas: DQO, DBO5 y COT .
Muestras:
sintética (inicial y final)
desechos (inicial y final)
Reactor Heliofotocatalitico
Tipo CPC
14
METODOLOGÍA
Reactor de Lámparas UV.
Tipo Bach
Reactor Heliofotocatalitico
Tipo CPC
5. Actividad Biológica
15
RESULTADOS
BARRIDOS ESPECTRALES
Max 336
Max 370
Max 336
16
MUESTRA H2O2 (mg/L) TiO2 (g/L) pH % Degradación 1 300 0,5 4 9 7 , 4 2 2 300 0,5 6 5 5 , 8 9 3 300 0,5 8 7 2 , 2 1 4 300 0,7 4 9 6 , 7 4 5 300 0,7 6 6 9 , 4 1 6 300 0,7 8 8 5 , 9 7 7 300 0,9 4 9 8 , 6 3 8 300 0,9 6 6 9 , 7 5 9 300 0,9 8 6 5 , 0 6 10 500 0,5 4 9 6 , 7 11 500 0,5 6 5 2 , 6 9 12 500 0,5 8 9 0 , 5 2 13 500 0,7 4 9 4 , 5 7 14 500 0,7 6 5 4 , 8 2 15 500 0,7 8 8 3 , 7 4 16 500 0,9 4 9 3 , 4 17 500 0,9 6 6 4 , 1 9 18 500 0,9 8 8 0 , 9 19 700 0,5 4 9 4 , 6 20 700 0,5 6 5 7 , 1 5 21 700 0,5 8 8 0 , 6 6 22 700 0,7 4 9 5 , 0 9 23 700 0,7 6 6 6 , 3 1 24 700 0,7 8 9 4 , 7 6 25 700 0,9 4 9 8 , 5 7 26 700 0,9 6 6 1 , 7 7 27 700 0,9 8 8 2 , 2
Condiciones Óptimas
RESULTADOS
BARRIDOS ESPECIALES
17
Condiciones optimas
RESULTADOS
BARRIDOS ESPECIALES
18
Condiciones Óptimas
RESULTADOS
BARRIDOS ESPECTRALES
Comportamiento de la degradación
Inicial
19
Condiciones Óptimas
RESULTADOS
BARRIDOS ESPECTRALES
Comportamiento de la degradación
20
Condiciones optimas
RESULTADOS
BARRIDOS ESPECIALES
Comportamiento de la degradación
CINÉTICA SINTÉTICA
E c u a c i ó n d e l a G r á f i c a R 2 [ D N S ] = - 0 , 1 0 7 t + 2 1 , 1 9 2 0 , 8 6 6
l n [ D N S ] = - 0 , 0 1 4 3 t + 3 , 2 7 2 0 , 9 9 2 [ D N S ] - 1 = 0 , 0 0 4 3 9 t - 0 , 0 8 8 8 0 , 7 1 1
Reacción de Primer Orden
Expresión para tiempo
21
Condiciones optimas
RESULTADOS
BARRIDOS ESPECIALES
Comportamiento de la degradación
CINÉTICA SINTÉTICA
CINÉTICA REACTOR SOLAR
Degradación de primaria:
53,37 %
Radiación Promedio:
253,11 W/m2
Tiempo:
450 min 22
RESULTADOS
ANÁLISIS QUÍMICOS
Muestra Sintética
Muestra DQO (mgO2/L) DBO5
(mgO2/L) Factor Biodegradación COT
(mg) Inicial 44,31 17,2 0,39 11,55 Final 191,04 56,4 0,29 8,37
Interferencia Interferencia Disminuyó 2 7 , 5 3 % Mineralización
Muestra Desecho
Muestra DQO (mgO2/L) DBO5
(mgO2/L) Factor Biodegradación
COT (mg)
Inicial 472,65 200,7 0,42 84,63 Final 240,28 137,1 0,57 63,46
4 9 , 1 6 % 3 1 , 6 9 % Aumentó 2 5 , 0 1 %
Mineralización 23
RESULTADOS
ANÁLISIS QUÍMICOS ACTIVIDAD BIOLÓGICA
24
0%
40%
10%
20%
0% 0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
1 2 3 4 5
Solución Sintética
60%
50%
80%
70% 70%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
1 2 3 4 5
Solución Desechos
RESULTADOS
ANÁLISIS QUÍIMICOS ACTIVIDAD BIOLÓGICA Muestra Sintética Sln 20 mg/L
pH 4
Sln sin TiO2
Homogenización
Sln con TiO2 25
RESULTADOS
ANÁLISIS QUÍMICOS ACTIVIDAD BIOLÓGICA Muestra Sintética
1 h 2 h
3 h 4 h
26
RESULTADOS
ANALISIS QUIMICOS ACTIVIDAD BIOLOGICA Muestra Sintética Muestra Desecho
Sln 20 mg/L
pH 4
Sln sin TiO2
Homogenización
Sln con TiO2 27
RESULTADOS
ANALISIS QUIMICOS ACTIVIDAD BIOLOGICA Muestra Sintética
2 h 4 h
6 h 8 h
28
CONCLUSIONES
• Las condiciones óptimas de degradación del Ácido 3,5-Dinitrosalicílico (DNS) por fotocatálisis heterogénea usando TiO2 como catalizador son: pH 4, 300 mg/L de H2O2 y 0,7 g/L de TiO2.
• El porcentaje de degradación primaria del DNS en la solución sintética fue de 96% aproximadamente. La mineralización fue del 27,53%, es decir, el 68,47% del DNS inicial quedó en el producto final de degradación en forma de intermediarios, los cuales son desconocidos en estructura y cantidad para los objetivos de este proyecto.
1
2
• La degradación en el reactor heliofotocatalítico tipo CPC del Ácido 3,5-Dinitrosalicílico, bajo las condiciones óptimas y una radiación solar promedio de 253,11 W/m2, presentó un porcentaje de degradación del 53,37% en 450 minutos. En condiciones climatológicas óptimas (mayor radiación solar, baja presencia de nubes) se obtendrían porcentajes mayores en menor tiempo.
3 29
CONCLUSIONES
4
5
•La cinética de la reacción de degradación del DNS sintético en el reactor tipo batch es de primer orden. Sin embargo, el DNS en presencia de los demás compuestos del desecho presenta una supuesta cinética de segundo orden en el reactor heliofotocatalítico tipo CPC, este cambio de orden en función del reactor empleado se debe a la influencia que sobre el proceso tiene el flujo de fotones (radiación electromagnética) y la disminución de la eficiencia fotocatalítica sobre el compuesto de estudio por la alta demanda de radicales hidroxilo de la demás materia orgánica en solución.
•La baja concentración a la cual se deben trabajar los desechos (20 ppm) para lograr una eficacia en el proceso de fotocatálisis heterogénea bajo un seguimiento espectrofotométrico es una desventaja debido a la gran cantidad de agua de dilución que debe emplearse. Por cada litro de desecho a 10000 ppm se consumen 500 litros de agua para llevar el DNS a 20 ppm.
30
31
6 •La biodegradabilidad de los desechos recogidos en el laboratorio aumentan después del tratamiento mediante fotocatálisis heterogénea con TiO2 como catalizador debido a una disminución tanto en la concentración de la materia orgánica como en la complejidad de la estructura. Adicionalmente, su producto final de degradación sigue siendo menos tóxico para las especies acuáticas (representado en la Artemia salina).
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
1
2 3
El trabajo con TiO2 en suspensión requiere un paso adicional de filtración previo a la cuantificación. Por ello, se recomienda la realización de estudios con TiO2 inmovilizado para evitar esta separación.
Realizar nuevos estudios de degradación usando agentes oxidantes diferentes a H2O2 para evitar remanentes en la solución final de degradación que tienen efectos adversos sobre las especies acuáticas y no incurrir en un tratamiento extra para la remoción de estos.
32
Los colectores Cilindro-Parabólico-Compuestos (CPC) han resultado ser una de las mejores opciones tecnológicas e invertir en un nuevo diseño de una planta piloto, proporcionaría a la Escuela de Química el tratamiento efectivo de los desechos estudiados por los integrantes del Grupo de Investigación en Fotocatálisis y Estado Solido.
Gracias
Mil Gracias
. . . . A nuestra familia, por el apoyo moral que desde siempre nos han brindado A nuestra familia, por el apoyo moral que desde siempre nos han brindado y con el cual hemos logrado terminar nuestra carrera profesional, que es y con el cual hemos logrado terminar nuestra carrera profesional, que es
para nosotras la mejor de las herencias. para nosotras la mejor de las herencias.
Y a todos aquellos que gracias a sus consejos, cariño Y a todos aquellos que gracias a sus consejos, cariño y comprensión, nos alentaron a lograr esta hermosa y comprensión, nos alentaron a lograr esta hermosa
realidad.realidad.
Mil y Mil Gracias 33
Fin