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MONITOREO DE LA OXIDACIÓN DE
CONTAMINANTES MEDIANTE MEDIDAS DE
POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUCCIÓN
Dr. Edgardo Contreras
Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales
INTEMA - CONICET
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
INTRODUCCIÓN
Reacción de óxido-reducción o redox es toda reacción en la cual los
reactivos intercambian electrones entre sí
- Balance de masa?- Balance de cargas?
Estas reacciones se pueden imaginar como dos semirreacciones
Reducción
Oxidación
/Cátodo
/Ánodo
Pila
ORP = potencial de óxido-reducción
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
INTRODUCCIÓN
Pila Cu/Zn (1800)
Consta de dos cubas separadas:
-Tira de Zn en una solución de ZnSO4
-Tira de Cu en una solución de CuSO4
- Puente salino = mantiene la electroneutralidad
Voltímetro = Potencial- Especies reaccionantes- Concentración - Temperatura- pH- Formación de precipitados- Complejantes
Sensores ORP
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
INTRODUCCIÓN
Sensores ORP = celda electroquímica que consta de dos partes
- Celda interna = electrodo de referencia- Celda externa = incógnita, es lo que se desea medir
Electrodos de referencia
- Electrodo de calomelanos. Mercurio cubierto por una capa insoluble de Hg2Cl2 en equilibrio con KCl. El contacto se realiza por medio de un hilo de platino.
- Electrodo de plata/cloruro de plata (Ag/AgCl). Hilo de Ag sobre el cual se deposita AgCl en una solución saturada de KCl
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
INTRODUCCIÓN
Pero, qué se esta midiendo con el sensor ORP?
Supongamos que estamos estudiando la siguiente reacción
Si el electrodo de referencia es Ag/AgCl, se pueden plantear las siguientes celdas:
Medio
Referencia
Qué se esta midiendo con el sensor ORP???
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INTRODUCCIÓN
Gas(1) oxygen cylinder(2) ozone generator(3) gas flow meter(4) bubbled column(5) ozone gas meter(6) KI trap
Liquid(7) recirculation pump(8) pH probe, (9) ORP probe(10) pH controller, (11) ORP meter(12) NaOH pump(13) NaOH burette(14) Optocoupler(15) A/D converter, (16) PC
t(h)
0 2 4 6 8
CO
D o
r P
he
no
ls (
mg
/L)
0
200
400
600
800
1000
t(h)
0 2 4 6 8
OR
P (
mV
)
100
150
200
250
300
t(h)
0 2 4 6 8
XO
3/X
O30
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
t(h)
0 2 4 6 8
Hp
(m
Eq
)
0
1
2
3
4
(a) (b)
(c) (d)
Fenol + ozono
El agregado de Fenoldisminuye el ORP
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
INTRODUCCIÓN
t(h)
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
OR
P (
mV
)
1
10
100
1000O3
Productos de oxidación del fenol (POPs)di – tri hidroxibencenosp-benzoquinonaÁcidos:* maleico* mucónico* 4-oxo-2-butenoico* Fórmico* GlioxílicoCO2
Fenol
Mezcla de reacción
Podemos extraer alguna información a
partir del ORP?
Electrodo de referencia
ORP
Fenol + ozono
Fenol + O3
+ productos de oxidación
La descomposición del O3 produce radicales, los cuales contribuyen
al proceso de oxidación
5º curso RED TRITÓN
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ORP vs. oxígeno disuelto (OD)
- Tanque agitado- Condiciones constantes de aireación- Catalizador: Co(II)- Pulsos de sulfito de sodio
ORP
0.5 1.0 1.5 2.0
OD
(m
g/L
)
0
2
4
6
8
10
t(h)
0.5 1.0 1.5 2.0
OR
P (
mV
)
80
100
120
140
160
180
200
* El valor de ORP es función de la concentración de oxígeno disuelto (OD)
* El agregado de un compuestoreductor disminuye el ORP
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación de ácido gálico (AG) catalizada por lacasas
Lacasas: catalizan la oxidación de un sustrato orgánico
empleando oxígeno molecular como oxidante
ácido gálico (AG)
* Antioxidante natural* Contienen 4 átomos de Cu(II)/Cu(I)
* Debido a que las Lacasas transfieren de a 1 e-,
los PO primarios son radicales.
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación de ácido gálico (AG) catalizada por lacasas
t (h )
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2
OR
P(m
V)
1 6 0
1 8 0
2 0 0
2 2 0
t (h )
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2
t (h )
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4
OU
R (
mg
O2/L
/h)
0
1 0
2 0
3 0
OD
(mg
/L)
5
6
7
8
9
A G0 = 0 .2 9 m M A G
0 = 0 .5 7 m M A G
0 = 1 .1 4 m M
ORP
OD
OUR
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación de ácido gálico (AG) catalizada por lacasas
t (h )
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2
OR
P(m
V)
1 6 0
1 8 0
2 0 0
2 2 0
t (h )
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2
t (h )
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4
t(h)
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5
A210
10
15
20
25
30
35
40
t(h)
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5
A210
6
8
10
12
14
16
18
20
t(h)
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5
A210
0
2
4
6
8
10AG
0 = 0.29 mM
(nm)
200 300 400 500 600 700
A
0
2
4
6
8
10
AG0 = 0.57 mM
(nm)
200 300 400 500 600 700
A
0
5
10
15
20
AG0 = 1.14 mM
(nm)
200 300 400 500 600 700
A
0
10
20
30
40
El máximo valor de ORP coincide con el momento en que se detiene la reacción
El agregado de un compuestoreductor disminuye el ORP
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación de xenobióticos catalizada por peroxidasas
* Las peroxidasas catalizan la oxidación de un sustrato (reductor)
empleando utilizando peróxidos (orgánicos y H2O2) como oxidante.
* Dentro de las mas estudiadas se encuentra la peroxidasa de
rábano (HRP) * Inhibición por H2O2
H2O
2(m M )
0 1 2 3 4 5
VD
0/V
D0
ma
x
0 .0
0 .2
0 .4
0 .6
0 .8
1 .0
Dunford (1975)
p H
5 6 7 8 9 1 0
q0/q
0(p
H =
10
)
0 .0 1
0 .1
1
* Importante efecto del pH
* Actividad catalásica dependiente de [S] y [H2O2]
2𝐻2𝑂2𝐻𝑅𝑃,𝑆
2𝐻2𝑂 + 𝑂2
Minimizar [H2O2] durante la reacción = Fed Batch
5º curso RED TRITÓN
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Oxidación de xenobióticos catalizada por peroxidasas
Oxidación de Orange II (Acid orange 7)
Mezcla de reacción:- Orange II- HRP - H2O2
- Buffer fosfato (100 mM), pH 7
t (m in )
0 2 0 4 0 6 0 8 0
A4
85
0 .0
0 .2
0 .4
0 .6
0 .8
1 .0
(n m )
2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0
A
0 .0
0 .2
0 .4
0 .6
0 .8
1 .0
t = 0
t = 7 0 m in
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación de xenobióticos catalizada por peroxidasas
Oxidación de Orange II (Acid orange 7)
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0
OR
P (
mV
)
1 1 0
1 2 0
1 3 0
1 4 0
1 5 0
1 6 0
1 7 0
1 8 0
1 9 0
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0
A4
85
0 .0
0 .5
1 .0
1 .5
2 .0
2 .5
3 .0
3 .5
P 1 P 2 O II
t (m in )
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0
dO
RP
/dt
(mV
/min
)
-1 0
-5
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
a
b
c
* Es necesaria la presencia de ambos sustratos (orange II y H2O2) para que el aumente el valor de ORP
* El máximo valor de ORP parece coincidir con el momento en que se detiene la reacción
En este caso, el agregado de un compuesto reductor (orange II)
NO disminuye el ORP
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación de xenobióticos catalizada por peroxidasas
Oxidación de Orange II (Acid orange 7) en sistemas Fed Batch
t (m in )
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0
A4
85
0
1
2
3
4
OR
P(m
V)
1 6 0
1 8 0
2 0 0
2 2 0
2 4 0
2 6 0
2 8 0
3 0 0
tie m p o (m in ) v s A b s
t (m in )
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
A4
85
0
1
2
3
4
OR
P(m
V)
1 6 0
1 8 0
2 0 0
2 2 0
2 4 0
2 6 0
2 8 0
3 0 0
A4
85
0
1
2
3
4
t (m in )
0 5 1 0 1 5 2 0
OR
P(m
V)
1 6 0
1 8 0
2 0 0
2 2 0
2 4 0
2 6 0
2 8 0
3 0 0
tie m p o (m in ) v s A b s
A4
85
0
1
2
3
4
t (m in )
0 2 4 6 8 1 0 1 2
OR
P(m
V)
1 6 0
1 8 0
2 0 0
2 2 0
2 4 0
2 6 0
2 8 0
3 0 0
a
c
b
d
Decolorización de Orange II (0.19 mM) por adición de H2O2
(2.6 mM) a diferentes caudales(mL/min):a) 0.20, b) 0.65, c) 1.28, d) 2.37
En todos los casos:[HRP] = 30 mg/LpH = 8volumen inicial = 250 mL
Las líneas punteadas indican el tiempo crítico (tC).
El valor máximo de ORP coincide con el momento en que se detiene la reacción (tC)
dORP/dt
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación de xenobióticos catalizada por peroxidasas
Oxidación de Orange II (Acid orange 7) en sistemas Fed Batch
Decolorización de Orange II (0.19 mM) por adición de H2O2
(2.6 mM) a diferentes caudales(mL/min):a) 0.20, b) 0.65, c) 1.28, d) 2.37
En todos los casos:[HRP] = 30 mg/LpH = 8volumen inicial = 250 mL
Las líneas punteadas indican el tiempo crítico (tC).
t (m in )
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0
dO
RP
/dt(
mV
/min
)
-1 5
-1 0
-5
0
5
1 0
t (m in )
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
dO
RP
/dt(
mV
/min
)
-3 0
-2 0
-1 0
0
1 0
2 0
t (m in )
0 5 1 0 1 5 2 0
dO
RP
/dt(
mV
/min
)
-4 0
-3 0
-2 0
-1 0
0
1 0
2 0
t (m in )
0 2 4 6 8 1 0 1 2
dO
RP
/dt(
mV
/min
)
-4 0
-3 0
-2 0
-1 0
0
1 0
2 0
a b
cd
Determinación del tiempo crítico (tC)
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación de xenobióticos catalizada por peroxidasas
Oxidación de Orange II (Acid orange 7) en sistemas Fed Batch
t (m in )
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0
A4
85
0
1
2
3
4
OR
P(m
V)
1 6 0
1 8 0
2 0 0
2 2 0
2 4 0
2 6 0
2 8 0
3 0 0
tie m p o (m in ) v s A b s
t (m in )
0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0
A4
85
0
1
2
3
4
OR
P(m
V)
1 6 0
1 8 0
2 0 0
2 2 0
2 4 0
2 6 0
2 8 0
3 0 0
A4
85
0
1
2
3
4
t (m in )
0 5 1 0 1 5 2 0
OR
P(m
V)
1 6 0
1 8 0
2 0 0
2 2 0
2 4 0
2 6 0
2 8 0
3 0 0
tie m p o (m in ) v s A b s
A4
85
0
1
2
3
4
t (m in )
0 2 4 6 8 1 0 1 2
OR
P(m
V)
1 6 0
1 8 0
2 0 0
2 2 0
2 4 0
2 6 0
2 8 0
3 0 0
a
c
b
d
Run Qin (mL/min) [OII]0 (mM) tC(A) (min) tC(ORP) (min) YS/P (mol/mol)*
a 0.20 0.183 67 65 1.34
b 0.65 0.181 24 22 1.23
c 1.28 0.187 13 12 1.20
d 2.37 0.187 7 6 1.19
Minimizar [H2O2] durante la reacción
t(min)
0 10 20 30 40 50 60 70 80
H2O
2(m
M)
1e-5
1e-4
1e-3
1e-2
1e-1
1e+0Q = 2.37 mL/min
Q = 0.20 m/min
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
NOMBRE DE LA SECCIÓNOxidación de xenobióticos catalizada por peroxidasas
Fenol BPA
Orange II
(n m )
2 0 0 2 2 0 2 4 0 2 6 0 2 8 0 3 0 0 3 2 0 3 4 0
(
a.u
. m
M-1
cm
-1)
0
2
4
6
8
1 0
1 2
1 4
BPA
Fenol
(n m )
2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0
(
a.u
. m
M-1
cm
-1)
0
5
1 0
1 5
2 0
2 5
3 0
Comparación entre la oxidación de Orange II, Fenol y BPA en Fed Batch
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación de xenobióticos catalizada por peroxidasas
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6
A/A
0
0 .0
0 .2
0 .4
0 .6
0 .8
1 .0
t / tC
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6
TP
h/T
Ph
0
0 .0
0 .2
0 .4
0 .6
0 .8
1 .0
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6
DO
C/D
OC
0
0 .0
0 .2
0 .4
0 .6
0 .8
1 .0
t / tC
0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6
OR
P(m
V)
2 0 0
2 5 0
3 0 0
3 5 0
4 0 0
a b
c d
Comparación entre la oxidación de Orange II, Fenol y BPA en Fed Batch
Fenol = triángulos
BPA = cuadrados
Orange II = círculos
El máximo valor de ORP coincide
con el momento en que se detiene la
reacción (tC)
Aparición de polímeros insolubles
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación de xenobióticos catalizada por peroxidasas
Comparación entre la oxidación de Orange II, Fenol y BPA en Fed Batch
La variación de los espectros del Fenol y BPA es consistente con un mecanismo de remoción de DOC por formación de polímeros insolubles
(nm)
200 300 400 500 600
A
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
(nm)
200 300 400 500 600
A
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
(nm)
200 300 400 500 600
A
0.0
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
Orange II Fenol BPA
Orange II
Fenol (ppdo. oscuro)
t/tC
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
DO
C/D
OC
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
BPA (ppdo. blanco)
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación de xenobióticos catalizada por peroxidasas
Oxidación conjunta de Orange II y BPA en sistemas Fed Batch
triángulos = A485nm (Orange II)
círculos = A280nm (Orange II + BPA)
El máximo valor de ORP coincide con el momento en
que se detiene la reacción (tC)
La disminución de DOC se debe a la formación de un precipitado naranja
(BPA+OII)
0 50 100 150 200 250 300
OR
P(m
V)
200
220
240
260
280
300
320
A/A
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
t(min)
0 50 100 150 200 250 300
DO
C/D
OC
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
BPA solo = ppdo. blanco
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación tipo Fenton de Orange II catalizada por un lixiviado
de ceniza volcánica
0 20 40 60 80 100 120
H2
O2
(m
M)
0
2
4
6
8
10
12
14
Sin Orange II
Con Orange II
0 20 40 60 80 100 120
OR
P-O
RP
0 (
mV
)
40
60
80
100
120
140
160
180
200
- La presencia de Orange II acelera la descomposición de peróxido
- El momento en el cual comenza a bajar el ORP es función de la velocidad de consumo de peróxido
Ceniza Volcánica = residuo rico en Fe
Condiciones experimentales:[OII] = 0.3 mMpH = 3T = 65 oC
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación tipo Fenton de Orange II catalizada por un lixiviado
de ceniza volcánica
- La cinética es función de los pulsos (frecuencia y concentración)
- Pulsos de baja concentración de peróxido amplifican la respuesta del ORP
Condiciones experimentales:
[OII] = 0.3 mMpH = 3T = 65 oC
Peróxido:2 pulsos de 12 mM (negro)4 pulsos de 3 mM (rojo)
0 50 100 150 200 250
TO
C/T
OC
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
t(min)
0 50 100 150 200 250
OR
P-O
RP
0 (
mV
)
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación tipo Fenton de Orange II catalizada por un lixiviado
de ceniza volcánica
- El aumento de temperatura incrementa la cinética de la reacción
- Las altas temperaturas amplifican la respuesta del ORP
Condiciones experimentales:
[OII] = 0.3 mMpH = 3
T = 35 oCT = 65 oC
Peróxido:3 pulsos de 3 mM 4 pulsos de 3 mM
t(min)
0 100 200 300 400
OR
P(m
V)
150
200
250
300
350
400
450
500
550
0 100 200 300 400
H2
O2
(mM
)
0
1
2
3
4
35 oC
65 oC
0 100 200 300 400
TO
C/T
OC
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
t(min)
0 100 200 300 400
CO
D(m
g/L
)
0
50
100
150
200
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación tipo Fenton de Orange II catalizada por un lixiviado
de ceniza volcánica
t(min)
0 100 200 300 400
OR
P(m
V)
150
200
250
300
350
400
450
500
550
0 100 200 300 400
H2
O2
(mM
)
0
1
2
3
4
35 oC
65 oC
0 100 200 300 400
TO
C/T
OC
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
t(min)
0 100 200 300 400
CO
D(m
g/L
)
0
50
100
150
200
T = 35 oCT = 65 oC
t(min)
0 100 200 300 400
Esta
do
de
oxid
ació
n d
el C
-1
0
1
2
3
4
H2O2 consumido / TOC inicial (mol/mol)
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5E
sta
do
de
oxid
ació
n d
el C
-1
0
1
2
3
4
Fórmico
Oxálico
Fuerte inhibidor
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
0 50 100 150 200 250 300
OR
P (
mV
)
350
400
450
500
550
10 mL/h
15 mL/h
t(min)
0 50 100 150 200 250 300
H2
O2
(mM
)
0
1
2
3
4
5
Oxidación tipo Fenton de Orange II catalizada por un lixiviado
de ceniza volcánica
[OII] = 0.3 mMpH = 3[H2O2]st = 98 mMT = 65 oC
FEDBATCHQ = 10 mL/hQ = 15 mL/h
t(min)
0 50 100 150 200 250 300
TO
C/T
OC
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Oxidación tipo Fenton de Orange II catalizada por un lixiviado
de ceniza volcánica
0 20 40 60 80 100
OR
P (
mV
)
360
380
400
420
440
460
480
500
10 mL/h
15 mL/h
t(min)
0 20 40 60 80 100
H2
O2
(mM
)
0
1
2
3
4
5
t(min)
0 20 40 60 80 100T
OC
/TO
C0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
El aumento del ORP indica acumulación de peróxido
El ORP se estabiliza cuando el TOC se mantiene constante
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
Conclusiones
La determinación del ORP permite la detección en tiempo real del
final de diversas reacciones:
- Sulfito por oxígeno catalizada por Co(II)
- Ácido gálico por oxígeno catalizada por Lacasas
- Orange II, Fenol y BPA por H2O2 catalizada por peroxidasas
- Orange II por H2O2 catalizada por ceniza volcánica
Problemas:
- Fuerte dependencia del ORP con el pH
- Respuesta del sensor ORP = útil solo en casos de reacciones “lentas”
- No siempre es posible asociar el ORP con una reacción en particular
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019
TRATAMIENTO Y RECICLAJE DE AGUAS INDUSTRIALESMEDIANTE SOLUCIONES SOSTENIBLES FUNDAMENTADASEN PROCESOS BIOLÓGICOS. RED TEMÁTICA 316RT0508
Financiado por: Gracias por su atención!
5º curso RED TRITÓN
Bellaterra (Barcelona) 3 y 4 octubre 2019