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  • ACI: VOL. 2(2), pp. 11-23 (2011) Ovejero y otros

    AVANCES EN CIENCIAS E INGENIERA (ISSN: 0718-8706) 11

    OXIDACIN POR VA HMEDA CATALTICA DE EFLUENTES INDUSTRIALES EMPLEANDO UN CATALIZADOR DE Pt SOPORTADO EN

    NANOTUBOS DE CARBONO DE PARED MLTIPLE

    CATALYTIC WET AIR OXIDATION OF INDUSTRIAL EFFLUENTS USING A Pt CATALIST SUPPORTED ON MULTIWALLED CARBON NANOTUBES

    Gabriel Ovejero, Jos L. Sotelo, Araceli Rodrguez, Ana Vallet y Juan Garca* Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Qumicas, Departamento de Ingeniera Qumica,

    Grupo de Catlisis y Procesos de Separacin (CyPS), Avda. Complutense s/n, 28040 Madrid - Espaa *autor de contacto (e-mail: [email protected])

    Recibido: 13/09/2010 - Evaluado: 25/10/2010 - Aceptado: 05/11/2010

    RESUMEN En el presente trabajo se ha estudiado la efectividad de la oxidacin por va hmeda cataltica para tratar aguas residuales industriales en un reactor por lote. Para ello se han realizado ensayos con un contaminante modelo, el colorante bsico Amarillo Directo 11 empleando como catalizador platino soportado en nanotubos de carbono de pared mltiple (Pt/MWNT). As mismo se ha realizado el tratamiento de dos efluentes industriales. Los resultados muestran tanto la alta efectividad del tratamiento en presencia del catalizador, como una importante disminucin del carbono orgnico total y de la toxicidad en el efluente final. Se concluye que el proceso se ha demostrado eficaz tanto para el tratamiento del colorante bsico ensayado, como en los dos efluentes residuales industriales.

    ABSTRACT In this work, catalytic wet air oxidation in a batch reactor was studied by catalytic wet air oxidation to treat industrial wastewater. Basic Yellow 11, a basic dye, was employed as a model compound and platinum supported over multi-walled nanotubes (Pt/MWNT) was used as catalyst. Additionally, two different industrial wastewaters were tested. The results prove the high effectivity of this treatment, showing high extents of total organic carbon and toxicity removal of the final effluent. We conclude that the process has proved to be effective for the treatment of basic dye tested, as well as in the two industrial effluents.

    Palabras clave: catalizador de Pt; aguas residuales; nanotubos de carbono; reactor discontinuo Keywords: Pt catalyst; wastewater; carbon nanotubes; batch reactor

  • ACI: VOL. 2(2), pp. 11-23 (2011) Ovejero y otros

    AVANCES EN CIENCIAS E INGENIERA (ISSN: 0718-8706) 12

    INTRODUCCIN Hasta hace relativamente poco tiempo, el vertido a los cauces pblicos de las aguas residuales urbanas e industriales, sin depurar o insuficientemente tratadas, era admitido por la mayora de los gobiernos. Hoy en da, debido por una parte al aumento del volumen de las aguas residuales y, por otra, a la reduccin de los caudales de los ros, y por tanto a la disminucin de su capacidad de auto depuracin, el tratamiento de todos los vertidos de una manera ms eficiente y al menor coste posible es imprescindible, debindose cumplir una legislacin cada vez ms exigente en cuanto a la calidad de las aguas vertidas. En este punto, cabe destacar las directivas bsicas de la Unin Europea, como la 91/277/CEE y la 96/61/CEE (http://eur-lex.europa.eu/es/index.htm) que hacen referencia al tratamiento de las aguas residuales urbanas y a la prevencin y control integrado de la contaminacin. La gran cantidad de desechos producidos por las industrias textiles y de artes grficas constituyen una preocupante fuente de contaminacin debido a la naturaleza cancergena y refractaria de los compuestos que contiene (Rajkumar et al., 2007; Deniz y Saygideger, 2010). Las aguas residuales provenientes de estas industrias pueden causar importantes daos medioambientales debido a su color, elevado nivel de carbono orgnico total (COT) y bajas tasas de biodegradabilidad. Los procesos de oxidacin avanzada (POAs) constituyen una tecnologa prometedora para el tratamiento de aguas residuales que contienen compuestos orgnicos refractarios, como tratamiento previo a los tratamientos biolgicos convencionales. Entre los POAs, la oxidacin por va hmeda (OVH) ha sido aplicada con xito a un amplio rango de contaminantes debido a la capacidad de este proceso para degradar compuestos con bajas solubilidades como polmeros o cidos grasos (Oliviero et al., 2003; Diaz et al., 2009). El poder oxidante de este sistema se basa en la elevada solubilidad que presenta el oxgeno en las condiciones de operacin (elevada temperatura y presin), lo que incrementa la velocidad de reaccin y favorece la formacin de radicales libres. El grado de oxidacin vara en funcin de las condiciones del proceso (presin y temperatura), tiempo de residencia en el reactor y la composicin del agua residual alimentada. La presencia de un catalizador, oxidacin por va hmeda cataltica (OVHC), mejora la velocidad de reaccin adems de permitir suavizar las condiciones de reaccin y temperatura reduciendo as notablemente los costes de operacin del proceso (Li et al., 2008). Esto implica la necesidad de emplear catalizadores que permitan suavizar las condiciones tan severas de operacin, as como el tiempo de residencia de la fase lquida en el interior del reactor (Garca et al., 2005). Se ha demostrado que las sales solubles de metales de transicin (por ejemplo sales de cobre y de hierro) incrementan notablemente las conversiones durante la reaccin (Mantzavinos et al., 1996; Bhargava et al., 2006). Sin embargo, este tipo de catalizadores requiere de etapas de post-tratamiento para la separacin del catalizador del medio, con lo que se encarece notablemente el proceso. Por ello se prefieren catalizadores heterogneos. Las mezclas de xidos metlicos de Cu, Zn, Co, Mn y Bi presentan una buena actividad pero tambin son lixiviados con facilidad (Pintar y Levec, 1992). Por otra parte, los catalizadores heterogneos basados en la impregnacin de metales preciosos en soportes estables son menos susceptibles a la lixiviacin del metal activo (Besson y Gallezot, 2003) y a la desactivacin de los sitios activos del catalizador por deposicin de compuestos orgnicos e inorgnicos (Roy et al., 2010). Adems, pese a presentar un mayor coste, el grado de eliminacin de contaminantes que se alcanza supera al obtenido por otro tipo de metales (Garca et al., 2005). En este trabajo se utilizar un catalizador monometlico con un 3% de Pt soportado sobre nanotubos de carbono de pared mltiple (MWNT) funcionalizados. Los nanotubos de carbono son un excelente soporte para este tipo de aplicaciones debido a que presentan una gran resistencia mecnica y a la abrasin, elevada conductividad trmica y una elevada superficie especfica. Por otra parte, se emplea un colorante bsico, el

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    Amarillo Directo 11 (BY11), para estudiar el proceso de oxidacin hmeda como tratamiento previo a los tratamientos biolgicos convencionales para la depuracin de aguas residuales. Asimismo se tratarn dos tipos de aguas residuales industriales, provenientes de una industria de impresin y de una industria agroqumica, para corroborar la efectividad del proceso. La eficiencia del catalizador se determinar mediante la tasa de mineralizacin tras 3 horas de reaccin, la velocidad inicial del proceso y la disminucin de toxicidad en el efluente final con respecto a las soluciones alimentadas inicialmente. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Materiales y sntesis del catalizador Se escogi el BY11 como compuesto modelo debido a que es difcilmente biodegradable mediante los procesos biolgicos convencionales (Rodriguez et al., 2009), pero es muy empleado en industrias textiles, de artes grficas y del plstico. El colorante fue comprado a Sigma-Aldrich (Steinheim, Alemania) y utilizado sin purificar. Las caractersticas principales de este compuesto se muestran en la Tabla 1.

    Tabla 1: Caractersticas principales y estructura del Basic Yellow 11.

    Colorante Estructura ndice

    de color

    Peso molecular (g.mol-1)

    Frmula max (nm)

    Basic Yellow 11 48055 372.89 C21H25ClN2O2 432

    Los MWNTs empleados como soporte fueron obtenidos de Sun Nanotech Co. Ltd. (Beijing, China) y preparados mediante deposicin qumica en fase vapor (CVD) a partir de acetileno. El catalizador se prepar siguiendo el mtodo de impregnacin a humedad incipiente del soporte empleando como precursor metlico (NH)4(PtCl4)2, obtenido de Sigma-Aldrich (Steinheim, Alemania). Antes de llevar a cabo la impregnacin, la qumica superficial de los nanotubos de carbono fue modificada con el fin de incorporar grupos funcionales oxigenados que acten como puntos de anclaje para la fase activa metlica, mejorando as la dispersin metlica y disminuyendo la hidrofobicidad propia de los nanotubos. Para ello se someti al material puro a un tratamiento cido con HNO3 durante 6 horas a reflujo, seguido de un lavado con agua desionizada a reflujo hasta la neutralidad de las aguas de lavado. Finalmente el material obtenido se sec en estufa a 110C durante 12 h (Ovejero et al., 2006). La masa del precursor empleada se calcul para obtener un slido con un contenido de Pt del 3% en peso. Una vez realizada la impregnacin, el slido se dej secar en la estufa a 110C durante 24h. Antes de su aplicacin en las reacciones de oxidacin, los catalizadores se sometieron a un proceso de reduccin bajo una corriente N2/H2 (3:1) a 350C durante 3h. Caracterizacin del catalizador La caracterizacin tanto del soporte como del catalizador se llev a cabo mediante fisisorcin de nitrgeno a 77K en un eq