proceso de fotocatalisis para el tratamiento de aguas
TRANSCRIPT
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
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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
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.
Esquema de circuito de fotocatálisis heterogénea
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.
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
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
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)
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
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.
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.
VI. REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
Bibliografía:
Schiavello, M. (Ed.), Photocatalysis and Environment: Trends and
Applications, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1998.
J. Aguado, R. van Grieken, M.J. López-Muñoz, J. Marugán, Catal.
Today 75 (2002) 95.
M.J. López-Muñoz, J. Aguado, A. Arencibia and R. Pascual, Applied
Catalalysis B: Environmental, 2011 (D.O.I.
10.1016/j.apcatb.2011.03.029)
M.J. López-Muñoz, J. Aguado, A. Revilla, Catal. Today, 161 (2011)
153.
S. Malato, P. Fernández-Ibáñez, M.I. Maldonado, J. Blanco, W.
Gernjak, Catalysis Today 147 (2009) 1–59
Linkografia:
http://www.fondef.cl/content/view/832/195/
http://prueba2.aguapedia.org/master/presencial/pfm/
proyeco_fotocatalisis_solar/memoriafotocatalisis.pdf
http://www.csva.gob.mx/foromundial/Material/MISION_ultimo.pdf