proceso de fotocatalisis para el tratamiento de aguas

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Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo Facultad de Ingeniería Química e Industrias Alimentaria Escuela Profesional de Ingeniería Química TRATAMIENTO DE DESECHOS INDUSTRIALES PROCESO DE FOTOCATALISIS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS AUTORES: Mendoza Labrín Israel Paredes Fernández Aldo Sirlopu Taboada Ronald Soplapuco Chiroque Freddy Yana Cruz Jonny

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Page 1: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo

Facultad de Ingeniería Química e Industrias Alimentaria

Escuela Profesional de Ingeniería Química

TRATAMIENTO DE DESECHOS INDUSTRIALES

PROCESO DE FOTOCATALISIS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS

AUTORES:

Mendoza Labrín Israel

Paredes Fernández Aldo

Sirlopu Taboada Ronald

Soplapuco Chiroque Freddy

Yana Cruz Jonny

DOCENTE:

Ing. Ada Barturen

Page 2: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

I. INTRODUCCION

Es de conocimiento que uno de los problemas que aqueja nuestro planeta es

la contaminación de la zona hídrica, como en los océanos, ríos y lagos; donde

los causantes principales están representados por las industrias y los seres

humanos quienes proliferamos en el abuso de su diversidad.

La necesidad de minimizar el problema y preservar el medio ambiente ha

llevado consigo a la búsqueda de nuevos métodos que sean eficientes en la

eliminación de compuestos químicos que originan y alteran la estabilidad de

este recurso. Por consiguiente es uno de las principales preocupaciones

sociales en la que el agua es reconocida como un bien preciado y escaso, por

tanto es conveniente darle un uso adecuado.

Uno de los problemas complejos que se puede suscitar en el tratamiento de

los residuos líquidos es debido a la gran variedad de compuestos químicos y

sus niveles de concentración que pueda presentar.

Las investigaciones realizadas acerca de los efectos de ciertos contaminantes

han generado nuevas tecnologías como son los procesos de fotocatálisis y

sus diversas tipos de operación; entre las cuales cabe mencionar el

tratamiento de oxidación fotocatalítico, fotolisis, fotocatálisis con reactivo de

fenton (fotocatálisis homogenea).

La oxidación fotocatalítica consiste en la destrucción de los contaminantes

mediante el empleo de radiación solar ultravioleta y catalizadores con el objeto

de formar radicales hidroxilo, los cuales posteriormente tendrán un efecto

oxidante sobre los contaminantes químicos.

Otro tipo de proceso de fotocatálisis en el tratamiento y/o purificación de agua

es el uso de fotocatálisis heterogénea con dióxido de titanio como catalizador

que hoy en día es una de las aplicaciones fotoquímicas que más interés ha

despertado entre la comunidad científica internacional.

Page 3: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

II. SITUACION PROBLEMÁTICA

II.1 Planteamiento del problema.

Una de las características que mejor define la sociedad actual en lo que se

entiende por países desarrollados es la producción de residuos.

Prácticamente no hay actividad humana alguna que no genere residuos

existiendo además una relación directa entre el nivel de vida de una sociedad

o país y la cantidad de residuos generados. Aproximadamente, el 23% de la

población mundial vive en países desarrollados, consume el 78% de los

recursos y produce el 82% de los residuos. Además se ha de resaltar que el

volumen de residuos crece de forma exponencial con respecto al nivel de

industrialización de un país. Existen actualmente registradas unos cinco

millones de sustancias conocidas de las que aproximadamente 70.000 son

ampliamente usadas en todo el mundo, estimándose en unas 1.000 las

nuevas sustancias químicas que cada año son incorporadas a la lista.

Figura 1.1 Evolución esquemática del grado de contaminación (en escala

arbitraria) de las aguas naturales en países desarrollados sosteniblemente.

Los trazos, de izquierda a derecha, representan desagües fecales

municipales, efluentes industriales, nutrientes y micro contaminantes. Los

problemas medioambientales van creciendo hasta que se encuentra una

solución para resolverlos y a continuación disminuyen.

Page 4: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

II.2 Formulación del problema:

¿Cómo influye el proceso de fotocatálisis en el tratamiento de aguas?

II.3 Justificación Del Problema

La necesidad de un crecimiento sostenible se contrapone con la realidad del

crecimiento demográfico. Muchos países atraviesan una etapa de crecimiento

no-sostenible, con logros macroeconómicos muy variables en los distintos

países. Aún en los casos en los que los países han alcanzado interesantes

progresos macroeconómicos, estos logros no se reflejan en la calidad de vida

de grandes porciones de población. Esos grandes contrastes se reflejan en los

problemas asociados con la gestión racional del agua, que no puede

enfrentarse de forma unilateral, sino que hay muchos procedimientos. Una

publicación reciente describe de forma genérica los problemas que han debido

enfrentar las sociedades en función del uso del agua, a medida que dicha

sociedad iba evolucionando. Los países de desarrollo sostenible han ido

enfrentando uno por uno, problemas relacionados con la contaminación

biológica, con los niveles de metales pesados, con el uso intensivo de

nutrientes, y con los contaminantes orgánicos a niveles de ultra-traza. La

desinfección de aguas, el tratamiento de efluentes antes de su vertido a

cauces de agua, la limitación y sustitución de nitratos y fosfatos en productos

de uso masivo, y los desarrollos en química analítica y en ecotoxicología

ilustran algunas de las herramientas usadas para enfrentar dichas categorías

de problemas. Como resultado de su propia evolución armónica, surge el

comportamiento como el esbozado en la figura 1.1. Debe advertirse que la

escala de tiempo para resolver cada problema, a medida que el mismo va

surgiendo, es cada vez más corto.

Page 5: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

III. ANTECEDENTES

Proceso de tratamiento de aguas inventado en la Universidad Católica de

la Santísima Concepción (UCSC) obtuvo patente en EEUU. 30 agosto

2011

El invento “Reactor de fotocatálisis y proceso de tratamiento de aguas

residuales” es uno de los resultados del proyecto Fondef “Uso de Fotocatálisis

Heterogénea para el Tratamiento de Agua en Sistemas de Recirculación en la

Acuicultura Intensiva Nacional”, desarrollado por académicos de las

Facultades de Ingeniería y Ciencias y tesistas de la carrera de Ingeniería en

Acuicultura y Pesca de la Universidad Católica de la Santísima Concepción

(UCSC).

El proyecto fue desarrollado por académicos de las Facultades de Ingeniería y

Ciencias y tesistas de la carrera de Ingeniería en Acuicultura y Pesca de la

Universidad Católica de la Santísima Concepción (UCSC).

La tecnología creada por académicos de nuestra Universidad, orientada a la

industria de la acuicultura, obtuvo la patente de invención otorgada por la

Oficina de Patentes y Marca Comercial de Estados Unidos (USPTO),

concesión de derecho de uso y explotación tanto del equipo como del proceso

del invento “Photocatalytic Reactor and Process for Treating Wastewater”

(“Reactor de fotocatálisis y proceso de tratamiento de aguas residuales”).

Esta patente permitirá comercializar la tecnología cuyo uso está pensado

principalmente en la acuicultura, para sistemas de cultivos que requieren

limpiar el agua de elementos tóxicos. “Hay sistemas caros e inestables, y ésta

es una alternativa, que a través de la oxidación de la materia orgánica

convierte los elementos tóxicos en CO2 y agua”, explicó el director del

proyecto, el profesor Pablo Venegas.

El académico destacó que Estados Unidos es uno de los mercados más

competitivos en materia de patentación, por lo tanto, esta concesión es un

reconocimiento al trabajo del equipo. Asimismo, recalcó el apoyo de la

Dirección de Investigación para cumplir con este exhaustivo proceso de

trámite, que significó un trabajo de cinco años.

Page 6: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

Venegas agregó que este logro es importante para la Universidad, pues le

pueden transmitir a sus estudiantes que es posible desarrollar inventos y

patentarlos, para lo que hay que trabajar mucho, confiar en los talentos y

“creerse el cuento”.

fotocatálisis solar para descontaminación de aguas e.u. politécnica

universidad de Sevilla.

Se ha Hemos diseñado un sistema de depuración que consiste en la limpieza de contaminantes mediante el uso de la energía solar. Aprovechamos así los altos índices de radiación solar que tiene Canarias durante todo el año.

Aplicando la energía solar conseguimos la degradación de los contaminantes por oxidación utilizando como catalizador el TiO2 y como colector los Cilíndricos Parabólicos Compuestos (CPC).

Las ventajas de este tipo de colector son las siguientes:

Ventajas de los captadores cilindro parabólico compuestos:

Pueden aprovechar tanto la radiación solar directa. Tienen bajo coste. No hay vaporización de componentes volátiles. No ha y calentamiento del agua. El flujo es turbulento dentro del reactor.

La planta piloto de colectores solares CPCs constaría de 6 módulos (superficie

total de colectores 8.9 m2, volumen del fotorreactor 108 L, volumen total de la

planta 247 L) montados en una plataforma fija inclinada 37º respecto a la

horizontal.

Page 7: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

Figura 1. Figura explicativa sencilla de la planta piloto de colectores CPCs

para aplicaciones fotocatalíticas

La configuración del sistema se muestra en la figura 2. Los 6 módulos están

conectados en serie y el agua fluye directamente de uno a otro. El sistema se

opera de manera discontinua por recirculación de la mezcla a experimentar

mediante un tanque intermedio y una bomba centrifuga. Al principio de los

experimentos, con los colectores cubiertos, se añaden todos los reactivos al

tanque y se mezclan hasta que se alcanza una concentración constante en

todo el sistema, en ese momento se retiran las cubiertas y se toman las

muestras a tiempos predeterminados (t). Como los CPCs tienen un factor de

concentración aproximadamente de 1 (1g de TiO2 por L), el sistema está al

aire y sin aislamiento térmico, siendo la temperatura máxima alcanzada dentro

del fotorreactor de 40 ºC.

Como se ha comentado anteriormente, las muestras se toman a tiempos

predeterminados (t), pero esto merece un comentario ya que el uso de tiempo

experimental como unidad de cálculo puede dar lugar a confusión debido a

que el fotorreactor está formado por elementos iluminados y elementos no

iluminados.

Tampoco se ha considerado correcto utilizar el tiempo de residencia en las

zonas iluminadas del fotorreactor porque también se obtendrían resultados

inconsistentes. Esto ocurre porque, cuando el tiempo es la variable

Page 8: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

independiente, las diferencias en la radiación incidente en el reactor durante el

desarrollo de un experimento no son tomadas en cuenta.

GOSLICH et al. [1997]

Han propuesto una ecuación que resulta muy útil para el tratamiento de los

datos obtenidos en experimentos solares reales; se trata de una relación entre

el tiempo experimental (t), el volumen de la planta (Vt), la superficie del

colector solar (Ar) y la irradiancia o “densidad de potencia” de la radiación

(UVg=Wm-2) medida mediante radiómetros, también llamados sensores de

irradiancia (en este caso la ecuación siguiente) tiene el mismo significado que

la propuesta por Goslich et al. Pero ligeras modificaciones).

Dónde:

tn : tiempo experimental de cada muestra

UVG,n : valor medio de la irradiación ultravioleta global durante el periodo.

Atn y Q: energía acumulada (por unidad de volumen, kJ L-1)

Aunque, la energía acumulada está expresada en Kj L-1, corresponde a la

energía alcanzada en la superficie del colector y por lo tanto, la eficiencia del

colector (relación Ar / Vt, reflectividad del colector y transmisividad del

fotorreactor) está incluida en ella. Consecuentemente, cuando se usa Quv, la

velocidad de reacción se expresa en mg kJ-1 de UV incidente en la superficie

del colector.

Page 9: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

SEGÚN WOLFRUM et al. [1992]

Este procedimiento para determinar cinéticas en fotorreactores parcialmente

iluminados es correcto solamente si la concentración de los reactivos es

constante a lo largo de todo el reactor (estado estacionario del sistema). En

este caso se puede asumir el estado estacionario ya que la conversión por

paso de los reactivos es baja (caudal muy alto, 6000 L h-1, con relación al

volumen total del fotorreactor, 108 L), y la concentración a lo largo del sistema

es prácticamente constante.

TRATAMIENTO FOTOCATALÍTICO DE AGUAS RESIDUALES

UTILIZANDO TiO2 COMO CATALIZADOR HERNANDEZ et al. [POZA

RICA, SETIEMBRE DE 2003]

En el presente proyecto de investigación, se pretende desinfectar las aguas

residuales utilizando la fotocatálisis para la eliminación de microorganismos,

algunos compuestos orgánicos volátiles como : p-nitrofenol, dioxinas,

disolventes, pesticidas, colorantes, compuestos aromáticos para la

degradación de 3 – ácido nitrobencensulfonico ( 3-NBSA) y 4 – ácido

nitrtoluensulfonico (4-NTSA)., contenidos en el agua, mediante la luz UV, en

presencia de TiO como catalizador (soportado en un metal o no), a diferentes

pH y se hará una comparación con la degradación de luz solar, y poder ver la

capacidad de la desinfección.

La actividad agrícola e industrial genera un significativo número de

contaminantes que son liberados al medio ambiente a través de las aguas de

desecho, las cuales contaminan las aguas superficiales y subterráneas.

Muchas de estas sustancias contaminantes son altamente tóxicas y difíciles

de ser degradadas por la naturaleza. En América Latina, con tantos años de

negligencia en este tipo de problemas, se presentan niveles dramáticos en

áreas rurales y zonas cercanas a complejos industriales. Las descargas

resultan particularmente peligrosas para la salud humana y devastadoras para

el medio ambiente.

Page 10: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

Las tecnologías tradicionales que se utilizan para la separación de sustancias

orgánicas del agua tratada están basadas en procesos de adsorción con

carbón activado o por arrastre con aire. Sin embargo, dichos procesos sólo

transfieren los contaminantes de su fase acuosa a otra que resulta también

contaminada, por lo que el problema persiste.

Actualmente, existe un grupo de tecnologías basadas en procesos de

destrucción de los contaminantes por medio de sustancias químicas

conocidas como radicales hidroxilos, las cuales tienen la propiedad de ser

altamente oxidantes. En estas tecnologías llamadas “procesos avanzados de

oxidación” (PAO), los radicales reaccionan con el contaminante y lo

transforman en compuestos inofensivos al medio ambiente. Dichas

tecnologías están comenzando a ser implementadas en América del Norte,

Europa y Japón. Un indicador del interés que están despertando son las 10

conferencias internacionales sobre el tema, aplicado a agua y aire, que se han

realizado en la década de los 90.

Una de las tecnologías de este tipo que resulta atractiva para la

descontaminación de aguas con sustancias orgánicas tóxicas es la

degradación fotocatalítica basada en el uso de dióxido de titanio (TiO en forma

cristalina) como fotocatalizador y luz ultravioleta (UV) solar de baja energía

{320-390 nm (nanómetros: 10 metros)}. La generalidad del método ha sido

probada a nivel de laboratorio desde mediados de los 80 para hidrocarburos

tales como compuestos orgánicos clorados y fosforados contenidos en

pesticidas y herbicidas, colorantes y surfactantes. La fotocatálisis puede

también ser aplicada en la separación y deposición de metales tóxicos (plomo,

mercurio y cadmio, entre otros) así como de metales preciosos (oro, plata,

platino). La técnica consiste en generar radicales hidroxilos que lleven a cabo

la oxidación de compuestos orgánicos y/o electrones para la reducción de

metales sobre la superficie del semiconductor óxido de titanio.

Page 11: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

IV. MARCO TEORICO

FOTOCATÁLISIS

Cuando se habla de fotocatálisis se hace referencia a

una reacción catalítica que involucra la absorción de luz por parte de

un catalizador o sustrato.

Durante el proceso fotocatalítico, tal como se explica más adelante, ocurren

tanto reacciones de oxidación como de reducción, por lo que no sólo se puede

aplicar la fotocatálisis a la oxidación de compuestos orgánicos, sino también a

la reducción de iones inorgánicos y a la reducción de otros compuestos

orgánicos.

Proceso fotocatalítico

La etapa inicial del proceso consiste en la generación de un par electrón-

hueco en las partículas del semiconductor. Cuando un fotón con energía hv,

que iguala o supera la energía del salto debanda del semiconductor, Eg,

incide sobre éste, se promueve un electrón, e-, de la banda de valencia hacia

la banda de conducción, generándose un hueco, h+, en la banda de valencia.

Page 12: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

La energía de banda prohibida se define como la diferencia energética de la

banda de valencia y la banda de conducción de un fotocatalizador.

TIPOS DE FOTOCATALISIS:

1.- Fotocatálisis Heterogénea: Una técnica alternativa para el tratamiento

de aguas contaminadas

La Fotocatálisis Heterogénea ha experimentado una creciente atención en los

últimos años como una alternativa interesante a las tecnologías

convencionalmente empleadas para el tratamiento de aguas contaminadas. La

gran variedad de contaminantes que pueden ser eliminados mediante este

tipo de tratamientos y la posibilidad de utilizar radiación solar hacen de la

fotocatálisis heterogénea una técnica de gran potencial para un futuro

sostenible.

[Grupo de Ingeniería Química y Ambiental (GIQA) Universidad Rey Juan

Carlos]

La degradación progresiva de la calidad de los recursos hídricos, constituye

en la actualidad uno de los principales problemas medioambientales con

grandes repercusiones sociales, políticas, tecnológicas y económicas. Por

este motivo, la legislación de la Unión Europea en materia de calidad de

aguas es cada vez más restrictiva y tiene como principal objetivo conseguir a

corto plazo un buen estado ecológico para todas las aguas europeas y lograr

el uso sostenible del agua. En este contexto, es muy importante el desarrollo y

aplicación de nuevas técnicas y procesos para el tratamiento de aguas.

Como ejemplo, la Fotocatálisis Heterogénea ha experimentado una creciente

atención en los últimos años como una alternativa interesante a tecnologías

convencionalmente empleadas para el tratamiento de aguas contaminadas.

Los procesos fotocatalíticos se basan en la irradiación de suspensiones de

óxidos semiconductores, generalmente dióxido de titanio, en presencia de las

especies contaminantes que se quiere degradar. Si los fotones suministrados

al sistema tienen la energía adecuada, se origina en el semiconductor una

separación de cargas (pares hueco-electrón). Entre otros procesos, los

Page 13: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

huecos pueden dar lugar a la formación de radicales hidroxilo (·OH), especies

de alto poder oxidante capaces de reaccionar con una gran variedad de

compuestos orgánicos, conduciendo en último término a su completa

mineralización.

Se ha demostrado que hay una gran variedad de moléculas contaminantes

que pueden ser degradadas fotocatalíticamente. Algunos ejemplos son:

Fenoles

Colorantes

Cianuros

Compuestos orgánicos clorados

Herbicidas e insecticidas.

Además, el poder reductor de los electrones fotogenerados en la irradiación

del semiconductor hace que sea viable la utilización de la fotocatálisis

heterogénea para la eliminación de metales pesados en disolución, tales como

mercurio o plomo, que son reducidos y depositados sobre el catalizador, de

donde pueden ser posteriormente recuperados.

Por último, en relación a esta técnica hay que destacar los esfuerzos

realizados en los últimos años para aplicar de manera efectiva los

tratamientos fotocatalíticos empleando radiación solar, con el objetivo de

abaratar los costes derivados de la irradiación del sistema y aprovechar una

forma de energía tan disponible en España como la ofrecida por el sol.

La fotocatálisis heterogénea se presenta, por tanto, como una técnica

alternativa de tratamiento de aguas de gran potencial para un futuro

sostenible.

Page 14: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

Esquema de circuito de fotocatálisis heterogénea

Page 15: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

2.- Fotocatálisis Homogénea: El Proceso Foto-Fenton

Como ya hemos mencionado antes, se define fotocatálisis homogénea como

la reacción catalítica que involucra la absorción de luz por parte de un

catalizador que está disuelto en agua. En este proyecto nos centraremos en

el proceso foto-Fenton, como ejemplo de fotocatálisis homogénea. En este

proceso, el catalizador es el ión de hierro, que estará disuelto en el agua.

En el caso de los procesos fotocatalíticos en fase homogénea (ver reacciones

2.18, 2.19 y 2.20), la interacción de especies capaces de absorber fotones

(complejos de metales de transición, colorantes orgánicos, etc.), un substrato

o reactivo (ejemplo: el contaminante) y luz pueden también conducir a la

modificación química del substrato. La especie capaz de absorber fotones (C)

es activada a través de la luz a un estado de excitación (C*). La interacción

posterior con el reactivo (R) lleva a este a un estado excitado (R*) que acelera

el proceso hasta la obtención de los productos finales (P).

El reactivo de Fenton (descrito por H.J.H. Fenton a finales del siglo XIX)

consiste en una disolución acuosa de peróxido de hidrógeno e iones ferrosos

que proporciona una importante fuente de radicales hidroxilo (reacción 21).

Bajo condiciones ácidas (pH 2-4), este reactivo es un poderoso oxidante de

compuestos orgánicos. Por otra parte, las velocidades de degradación de

compuestos orgánicos aumentan significativamente al complementar el

proceso con radiación UV/Visible, llamándose entonces proceso o método

foto-Fenton. En este caso, el proceso se convierte en catalítico ya que el ion

Fe2+ oxidado a Fe3+ en la reacción Fenton (ver reacción 2.21) se reduce de

nuevo a Fe2+ por acción de la radiación (ver reacción 2.22), con lo que se

tiene ya un proceso fotocatalítico. Ambas reacciones generan radicales

hidroxilo.

Page 16: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

El hecho de que esta reacción genera radicales hidroxilos ha sido probado

químicamente. Se observó también que el ión férrico acelera la foto-

descomposición del peróxido de hidrógeno ya que la fotólisis directa de

soluciones ácidas de H2O2 da radicales OH● como fotoproducto primario

junto con pequeñas cantidades de radicales OOH●

Por otro lado, las reacciones 2.21 y 2.22 describen los procesos reales de una

manera muy simple. Una descripción más detallada involucra a varios

complejos de hierro (los posibles ligandos L son OH-, H2O, HO2, HSO32-, Cl,

carboxilatos,…) que, cuando están excitadas, exhiben transiciones de

transferencia de carga ligando-metal, como se describe en la reacción 25,

alcanzando la producción de los deseados radicales.

La principal ventaja del proceso Foto-Fenton con respecto al TiO2 es su mayor

sensibilidad a la luz de hasta una longitud de onda de 580 nm, lo que podría

suponer más aprovechamiento de la energía solar que con el proceso

mediante TiO2.

Esquema del ciclo de la reacción de Foto-Fenton

Page 17: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

Otra ventaja del proceso de Foto-Fenton es que la profundidad de penetración

de la luz es grande. El catalizador está en disolución permitiendo la

penetración de la luz en función de la concentración del hierro añadido. En el

caso del TiO2, al ser un sólido en suspensión, la transferencia de luz en el

seno de la reacción es muy compleja y a menudo se convierte en limitante al

diseñar reactores fotocatalíticos. En el caso de foto-Fenton, los reactores se

pueden diseñar con más libertad, ajustándose después la concentración de

hierro a aquella que permite una mayor absorción de la luz, en función del

diámetro interno del fotorreactor. Es necesario remarcar que la concentración

correcta de TiO2, para un fotorreactor determinado, no sólo es función de su

diámetro sino del pH (que afecta fundamentalmente a la aglomeración de

partículas), de la fuerza iónica del agua (también relacionada con la

aglomeración de partículas), de la velocidad de agitación del reactor, de la

intensidad de iluminación (aspecto especialmente complicado en el caso de

motorreactores solares, por la variación de ésta), etc. Todo esto ha hecho que

en muchos de los trabajos publicados, uno de los parámetros a optimizar en

cada caso haya sido la concentración del catalizador. Sin embargo, en el caso

del foto-Fenton, todo esto es mucho más sencillo, pudiéndose controlar la

absorción de luz mediante el ajuste correcto de la concentración de hierro.

Además, como la solución es homogénea, el contacto entre el contaminante y

el agente oxidante es mejor. Las principales desventajas son el bajo pH

requerido (menor que 3, para evitar la precipitación de hidróxidos de hierro) y

la necesidad de separar el hierro después de concluida la reacción.

Ha sido demostrado que mediante foto-Fenton se pueden destruir fenoles,

fenoles clorados y plaguicidas en medio acuoso, así como reducir la demanda

química de oxígeno (DQO) en diferentes aguas residuales. Este método se ha

ensayado satisfactoriamente para el tratamiento de aguas residuales,

contaminadas con contaminantes fenólicos, colorantes, ácidos carboxílicos,

compuestos aromáticos nitrogenados y para la degradación de plaguicidas

disueltos en agua.

En general, la degradación de la mayoría de contaminantes es muy similar

con ambos procesos fotocatalíticos (TiO2 y Foto-Fenton), variando solamente

Page 18: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

el tiempo necesario de exposición a la iluminación en función de la distinta

resistencia de cada sustancia a la degradación.

Esquema de circuito de fotocatálisis homogénea (foto-fenton)

Page 19: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

DESTRUCCIÓN DE CONTAMINANTES MEDIANTE FOTOCATÁLISIS

Aunque estos procesos fueron considerados, a principios de los años 90,

como una especie de técnica universal para el tratamiento de contaminantes

orgánicos en agua, una profusión de resultados contradictorios posteriores ha

llevado a una percepción más conservadora sobre las posibilidades reales de

aplicación de este tipo de tecnologías y procesos, percepción que es

enfocada ahora hacia aplicaciones más concretas y específicas. Dentro de

este contexto, el tratamiento de aguas residuales industriales, aunque difícil de

desarrollar debido a que el bajo rendimiento en la generación de radicales

hidroxilo y la cinética lenta del proceso pueden suponer una importante

limitación a la viabilidad económica del proceso, parece uno de los campos

más prometedores de aplicación de este tipo de tecnologías. Desde este

punto de vista de aplicaciones, la única regla general es que no hay regla, ya

que cada agua residual puede ser completamente diferente de cualquier otra.

Como consecuencia, siempre resulta necesario un estudio de viabilidad para

valorar el posible tratamiento de un contaminante determinado y para

optimizar la mejor opción para cada problemática. Se proponen los siguientes

indicadores para ayudar a identificar aplicaciones potenciales que puedan

resultar factibles:

Contaminantes orgánicos que aparecen en concentraciones máximas de

varios cientos de mg/l. Esto está relacionado con la absorción de luz en la

disolución, adsorción de los contaminantes en la superficie del catalizador,

aumento de la fuerza iónica al mineralizarse el contaminante, producción

de carbonatos (procedentes de la mineralización) que son consumidores de

radicales hidroxilo, etc.

Contaminantes no biodegradables. Cuando son factibles, los tratamientos

biológicos son siempre los procesos más económicos. Por lo tanto, sólo

cuando los contaminantes son persistentes, los procesos fotocatalíticos

tienen sentido.

Contaminantes normalmente conflictivos presentes dentro de mezclas

complejas de compuestos orgánicos. Una de las principales ventajas de la

fotocatálisis solar es que es un proceso no selectivo, lo que permite que

contaminantes no biodegradables puedan ser tratados dentro de aguas

Page 20: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

residuales en las que aparecen otros muchos compuestos orgánicos. Los

contaminantes peligrosos aparecen dentro de mezclas complejas y en

concentraciones susceptibles para los tratamientos fotocatalíticos.

Se pondrá énfasis en las aplicaciones de las tecnologías que aprovechan la

luz solar para el tratamiento de aguas residuales que contienen contaminantes

no biodegradables; en este caso, los tratamientos biológicos no son viables.

La capacidad de tratamiento con esta tecnología es linealmente dependiente

del flujo energético, y su aplicación se considera que normalmente va a estar

en el rango de varias decenas hasta varios cientos de m3 por día. En el caso

de usar radiación solar, solo se podrán tratar aquellos residuos que se

adapten a un modo de recirculación con cargas discontinuas, lo que significa

que el tratamiento debe ser independiente del proceso de generación de agua

residual. Dentro de este marco, el proceso de fotocatálisis puede ser aplicado,

entre otros, al tratamiento de los siguientes contaminantes en agua.

Page 21: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

V. CONCLUSIONES

Existe una aplicación de la energía solar que ha despertado el interés de

investigadores sobre todo a partir de los años ochenta. Se trata del empleo de

la energía solar para la eliminación de contaminantes en aguas residuales

mediante el uso de un fotocatalizador adecuado. Este sistema permite

aprovechar directamente la energía solar que llega a la superficie de la tierra

para provocar una serie de reacciones químicas (redox) que dan lugar a la

eliminación de compuestos orgánicos en las aguas de vertidos urbanos,

industriales y agrícolas y cambiar el estado de oxidación de los metales

pesados de tal forma que pasan de estar disueltos a una forma insoluble.

El uso del método fotocatalitico homogeneo (Foto-Fenton) con respecto al

heterogéneo (TiO2), es de mayor eficiencia con respecto a este ultimo debido

a su mayor sensibilidad a la luz que alcanza una longitud de onda de hasta

580 nm, lo que podría suponer más aprovechamiento de la energía solar que

con el proceso mediante TiO2.

El poder reductor de los electrones fotogenerados en la irradiación del

semiconductor hace que sea viable la utilización de la fotocatálisis

heterogénea para la eliminación de metales pesados en disolución, tales como

mercurio o plomo, que son reducidos y depositados sobre el catalizador, de

donde pueden ser posteriormente recuperados.

En un sistema de depuración compuesto por un tratamiento foto-Fenton en

fase heterogénea acoplado a un tratamiento biológico basado en lodos activos

puede ser una alternativa real para el tratamiento de aguas residuales

procedentes de la elaboración del vino, puesto que los vertidos vinícolas

reales se degradan parcialmente mediante procesos foto-Fenton en fase

heterogénea con dosis de peróxido de hidrógeno de 0,1M y 31 g catalizador/l

a las 24 horas de tratamiento, alcanzando rendimientos de degradación de

materia orgánica próximos al 50%. El sistema de reacción utilizado no produce

pérdidas por volatilización de la materia orgánica. Además este estudio

también muestra que la degradación de la materia orgánica depende de la

radiación que recibe la muestra.

Page 22: Proceso de Fotocatalisis Para El Tratamiento de Aguas

VI. REFERENCIA BIBLIOGRAFICA

Bibliografía:

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Applications, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1998.

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M.J. López-Muñoz, J. Aguado, A. Revilla, Catal. Today, 161 (2011)

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S. Malato, P. Fernández-Ibáñez, M.I. Maldonado, J. Blanco, W.

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Linkografia:

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http://prueba2.aguapedia.org/master/presencial/pfm/

proyeco_fotocatalisis_solar/memoriafotocatalisis.pdf

http://www.csva.gob.mx/foromundial/Material/MISION_ultimo.pdf