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OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS FOTO-FENTON Y
FOTOCATÁLISIS CON TIO2 MEDIANTE LA
METODOLOGIA SUPERFICIE DE RESPUESTA HACIA
LA DESINFECCION DE AGUA PARA CONSUMO
HUMANO
TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO
ACADEMICO DE
MAESTRO EN CIENCIA Y
TECNOLOGIA EN LA ESPECIALIDAD
DE INGENIERIA AMBIENTAL
PRESENTA
ING. AMBIENTAL FÁTIMA GPE. CÓRDOVA OLAEZ
Director:
Dr. Juan Manuel Peralta Hernández
Co director:
Dra. Pilar Fernández Ibáñez
León, Guanajuato, México, Septiembre 2013.
iii
Agradecimientos
Hago extensivo mi agradecimiento al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología
(CONACYT) por haberme otorgado una beca para realizar mis estudios de maestría así
como la beca de movilidad al extranjero para la estancia profesional.
La realización de este trabajo fue posible gracias al apoyo de Centro de Innovación
aplicado en Tecnologías Competitivas (CIATEC), así como la coordinación del
Programa Interinstitucional de Ciencia y Tecnología llevado a cabo por Desarrollo de
Talento.
Mi agradecimiento al Dr. Juan Manuel Peralta por el asesoramiento que recibí en todas
las etapas del presente trabajo de investigación, por la revisión de este y sus
importantes sugerencias para mejorar este documento, a todo el personal de CIATEC
principalmente al área de investigación ambiental por el apoyo recibido para la
realización de este proyecto.
Al Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)
por la aprobación de continuar con los trabajos de comprobación de tratamiento en la
Planta Solar de Almería, el apoyo y orientación de la Dra. Pilar Fernández Ibáñez así
como del personal de laboratorio.
Por su importante colaboración en el enriquecimiento del contenido de esta tesis le
agradezco a la Dra. Iliana Medina Ramírez y a la Dra. Madai Granados Neri.
A todas las personas que me rodean familia, amigos, maestros y doctores ya que
juegan un papel muy importante en mi vida y son quienes a pesar de los inconvenientes
y errores cometidos siempre tenían una palabra de aliento para que continuara
adelante, por ellos se ha concluido esta etapa, solo me queda decir:
“Gracias por todo”
iv
Medio de transferencia Tecnológica:
Reconocimiento por impartir la conferencia “Degradación de Componentes Orgánicos
en Solución Acuosa Aplicando Tecnologías Avanzadas y de Oxidación” en el marco del
“Día del Desarrollo Sustentable” llevado a cabo el 9 de mayo de 2012, en el Instituto
Tecnológico Superior de Irapuato.
Reconocimiento por exposición de poster con el tema “Degradación de Compuestos
Orgánicos en Solución Acuosa Aplicando Diferentes Tecnologías Avanzadas de
Oxidación” en el IX encuentro Participación de la Mujer en la Ciencia del 16-18 Mayo
2012, organizado en el Centro de Investigación en Óptica, A.C.
Reconocimiento por impartir la conferencia “Degradación de materia orgánica presente
en agua de consumo mediante los procesos Fenton/foto-Fenton y Fotocatálisis” a los
alumnos de la carrera de Tecnología Ambiental el día 04 de setiembre del 2012, en las
instalaciones de la Universidad Tecnológica de León.
Constancia por haber presentado el trabajo en la modalidad oral “Optimization of photo
assisted process for disinfection drinking water by means of Response Surface
Methodology” dentro del congreso International Water Association México, Abril-2013
en el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica.
v
Resumen
Los problemas de disponibilidad de agua de buena calidad en la cuenca Rio Turbio van
en aumento debido a la sobreexplotación de agua subterránea esto para satisfacer las
necesidades humanas. La contaminación de este recurso subterráneo se debe
principalmente a las actividades agrícolas debido al empleo de agua residual para
irrigar los campos de cultivo ya que contienen altas concentraciones de materia
orgánica y coliformes fecales. [UNAM, Tesis de Maestría. (2009)].
En una tercera parte del país las enfermedades gastrointestinales se hacen presentes y
esto se debe a la contaminación del agua por materia fecal, la población más afectada
se encentran en las zonas rurales o bien en las zonas marginadas. Las enfermedades
específicas de transmisión hídrica están relacionadas con los microorganismos
patógenos, por ejemplo las bacterias causantes de la fiebre tifoidea, la disentería
bacteriana y el cólera así como la esquitosomosis causada por gusanos (helmintos y
larvas) y los virus que originan la hepatitis infecciosa y la poliomielitis. Actualmente las
técnicas de purificación de agua dan solución a gran parte del problema pero presentan
ciertas limitaciones, tales como los altos costos por mantenimiento y operación esto da
pauta para la aplicación de nuevos tratamientos del agua sobre todo cuando es de
consumo humano.[OMS, UNICEF, Publicación. (2011)].
La alternativa más atractiva para el tratamiento de agua, son los Procesos Avanzados
de Oxidación (PAO´s), los cuales se definen como el “proceso de oxidación en el cual
se generan radicales libres hidroxilo (OH) en cantidad suficiente, haciendo uso de
diferentes sistemas de reacción para efectuar la destrucción de compuestos orgánicos”,
el potencial de oxidación de 2.8 V de los radicales libres (OH) los hace especies
sumamente oxidantes y no selectivas, estos procesos también pueden utilizarse en la
inactivación de los microorganismos tal como se he demostrado en los últimos años [C.
P. Huang, Waste Management. (1993)]. Los PAO´s más interesantes son aquellos que
vi
utilizan la radiación solar como fuente de fotones lo que reduce costos e impactos
ambientales.
El objetivo fundamental de este trabajo es optimizar los PAO´s foto-Fenton y
Fotocatálisis con TiO2 mediante la metodología de superficie de respuesta para llevar a
cabo la oxidación de la materia orgánica presente en agua de consumo. El trabajo de
investigación consiste principalmente en el estudio de la eficiencia de los procesos
Fotocatalíticos, aplicados en agua real de un pozo contaminado por materia orgánica y
coliformes fecales, la caracterización del agua es la primera etapa y se realiza con
mediciones tales como la determinación de Carbono Orgánico Total (COT), carbonatos
y caracterización microbiológica, de igual forma se utiliza la metodología de superficie
de respuesta, esta es la estrategia experimental y de análisis que permite resolver el
problema de encontrar las condiciones óptimas de los procesos de uno o varios
factores que influyen en el proceso. Se realizan los experimentos en un Colector
Cilindro Parabólico Compuesto (CPC) y se fija el volumen a 25 Litros y el tiempo de
reacción en 30 minutos.
No obstante es necesaria la comprobación de los tratamientos óptimos para esto se
lleva a cabo un control más estricto en los factores, en ambos procesos se fija la
concentración inicial de microorganismos (1000 UFC/mL), para lo cual se utiliza la cepa
bacteriana E. faecalis por ser resistente a los tratamientos convencionales y ser
indicador de contaminación de agua por materia fecal, la agitación de los reactores se
fija en 100 RPM y se monitorea la radiación solar a lo largo del experimento así como la
cinética de los reactivos tanto del catalizador Fe2+ como del agente oxidante peróxido
de hidrógeno (H2O2), se prepara una agua simulada de una planta depuradora de agua
residual y se utilizan reactores discontinuos de 200 mL.
La obtención de resultados positivos en desarrollo experimental demuestra la eficiencia
de los procesos Fotocatalíticos y de los CPC para llevar a cabo la degradación de
materia orgánica presente en agua de consumo, se demuestra que estas tecnologías
solares son aptas para ser aplicadas en el proceso de purificación de agua y podrían
vii
ser escaladas para satisfacer las necesidades de la población en cuanto a la
purificación del agua.
La disminución en la concentración de los catalizadores y del agente oxidante así como
el uso de tecnología en las poblaciones rurales o zonas marginadas es de las ventajas
obtenidas al optimizar y utilizar estos procesos.
Índice de Contenido
Medio de transferencia Tecnológica: ............................................................................... iv
Resumen .......................................................................................................................... v
Índice de Contenido ....................................................................................................... vii
Índice de Tablas ............................................................................................................... x
Índice de Ilustraciones ..................................................................................................... xi
Capítulo 1 Introducción .................................................................................................. 13
1.1 Antecedentes .................................................................................................... 13
1.2 Problemática actual ............................................................................................... 13
1.2.1 Problemática a resolver ..................................................................................... 13
1.3 Justificación .......................................................................................................... 14
1.4 Objetivo general .................................................................................................... 14
1.4.1 Objetivos específicos ......................................................................................... 15
1.5 Hipótesis ............................................................................................................... 15
1.6 Resumen del estado del arte ................................................................................ 15
Capítulo 2 Marco Teórico ............................................................................................... 17
2.1 Procesos Avanzados de Oxidación (PAO’s) ......................................................... 17
2.2 Peróxido de Hidrogeno y radiación solar .............................................................. 25
2.3 Radiación Solar y su efecto germicida .................................................................. 27
2.3.1 Radiación solar terrestre ................................................................................. 27
2.3.2 Desinfección de agua por radiación solar ....................................................... 28
2.4 Captadores solares CPC ...................................................................................... 30
2.5 Inactivación celular mediante OH ........................................................................ 31
viii
2.6 Unidades Formadoras de Colonias ....................................................................... 35
2.6.1 Recuento en placas ........................................................................................ 35
2.7 Enterococos intestinales ....................................................................................... 36
2.7.1 Descripción General ....................................................................................... 36
2.7.2 Fuentes y prevalencia ..................................................................................... 36
2.7.3 Relevancia de su presencia en el agua de consumo ...................................... 37
2.8 Metodología Superficie de Respuesta .................................................................. 37
Capítulo 3 Procedimiento de Investigación .................................................................... 41
3.1 Muestreo ............................................................................................................... 41
3.1.1 Tamaño de muestra para la realización de estudios ....................................... 47
3.2 Caracterización del pozo más contaminado ........................................................ 49
3.2.1 Determinación de COT ................................................................................... 49
3.2.2 Caracterización Microbiológica ....................................................................... 50
3.2.3 Determinación de carbonatos ......................................................................... 51
3.3 Diseño de experimentos ....................................................................................... 52
3.4 Comprobación de los mejores tratamientos con diferentes variables de respuesta.
.................................................................................................................................... 53
3.4.1 Medición de Hierro disuelto (referencia: ISO 6332) ........................................ 53
3.4.2 Medición de Peróxido. ................................................................................... 56
3.4.3 Unidades Formadoras de Colonias ................................................................. 56
3.4.4 influencia del pH en los proceso foto-Fenton y Fotocatálisis .......................... 57
3.4.5 Radiación solar ............................................................................................... 59
3.5 Metodología llevada a cabo en la experimentación para la obtención de
tratamientos óptimos con mayor control de variables. ................................................ 60
3.5.1 Preparación de medios de cultivo ................................................................... 60
3.5.2 Preparación del inoculo .................................................................................. 61
3.5.3 Pesar catalizadores ........................................................................................ 61
3.5.4 Preparación del Peróxido ................................................................................ 61
3.5.5 Preparación de Catalaza ................................................................................ 61
3.5.6 Preparación de agua simulada de una salida de depuradora de aguas
residuales (EDAR) ................................................................................................... 62
3.5.7 Preparación de los reactores discontinuos ..................................................... 62
ix
Capítulo 4 Resultados .................................................................................................... 62
4.1 Caracterización de pozos de abastecimiento de agua. ......................................... 63
4.2 Resultados de los experimentos foto-Fenton ....................................................... 67
4.2.1 Graficas de resultados del proceso foto-Fenton agrupados por pH ................ 67
4.2.2 Análisis de los factores que afectan el proceso foto-Fenton ........................... 75
4.2.3 Superficie de Respuesta en 3D ...................................................................... 81
4.2.4 Ecuacion Final ................................................................................................ 82
4.2.5 Comprobación del modelo matemático ........................................................... 82
4.3 Resultados de los experimentos Fotocatálisis ...................................................... 83
4.3.1 Graficas del proceso fotocatalítico con TiO2 agrupado por pH ....................... 84
4.3.2 Análisis de los factores que afectan el proceso fotocatalítico con TiO2 .......... 90
4.3.3 Superficie de respuesta en 3D ........................................................................ 96
4.3.4 Ecuación Final ................................................................................................ 96
4.4 Gráfica de comparación de tratamientos Fenton, foto-Fenton y Fotocatálisis con
TiO2 ............................................................................................................................. 97
4.5 Resultados de la comprobación y control de variables en los tratamientos óptimos
.................................................................................................................................... 99
4.6 Comparación de tratamientos ............................................................................ 109
4.6.1 foto-Fenton ................................................................................................... 110
4.6.2 Fotocatálisis con TiO2 ................................................................................... 110
Conclusiones ................................................................................................................ 112
Recomendaciones ........................................................................................................ 113
Referencias .................................................................................................................. 114
x
Índice de Tablas
Tabla 1 Estado del arte .................................................................................................. 16
Tabla 2 Tabla de Ubicación de Pozos de extracción de agua potable. .......................... 42
Tabla 3 Ubicación de pozos seleccionados ................................................................... 48
Tabla 4 Diseño de experimentos del proceso foto-Fenton. ........................................... 65
Tabla 5 Diseño de experimentos del proceso Fotocatálisis ........................................... 66
Tabla 6 Corrida 1 ............................................................................................................ 67
Tabla 7 Corrida 6 ............................................................................................................ 68
Tabla 8 Corrida 12 .......................................................................................................... 68
Tabla 9 Corrida 15 .......................................................................................................... 69
Tabla 10 Corrida 2 .......................................................................................................... 70
Tabla 11 Corrida 3 .......................................................................................................... 70
Tabla 12 Corrida 5 .......................................................................................................... 71
Tabla 13 Corrida 20 ........................................................................................................ 71
Tabla 14 Corrida 4 .......................................................................................................... 72
Tabla 15 Corrida 8 .......................................................................................................... 73
Tabla 16 Corrida 14 ........................................................................................................ 73
Tabla 17 Corrida 16 ........................................................................................................ 74
Tabla 18 Corrida 19 ........................................................................................................ 74
Tabla 19 Resultados de la comprobación del modelo matemático del proceso foto-
Fenton ............................................................................................................................ 83
Tabla 20 Corrida 11 ........................................................................................................ 84
Tabla 21 Corrida 14 ........................................................................................................ 84
Tabla 22 Corrida 17 ........................................................................................................ 84
Tabla 23 Corrida 1 .......................................................................................................... 85
Tabla 24 Corrida 8 .......................................................................................................... 86
Tabla 25 Corrida 13 ........................................................................................................ 86
Tabla 26 Corrida 15 ........................................................................................................ 87
Tabla 27 Corrida 16 ........................................................................................................ 87
Tabla 28 Corrida 2 .......................................................................................................... 89
Tabla 29 Corrida 18 ........................................................................................................ 89
Tabla 30 Corrida 4 .......................................................................................................... 89
Tabla 31 Resultados de la comprobación del modelo matemático del proceso
fotocatalítico con TiO2 .................................................................................................... 97
Tabla 32 Concentraciones de los diferentes procesos ................................................... 98
Tabla 33 Comparación de tratamientos foto-Fenton .................................................... 110
Tabla 34 Comparación de tratamientos con Fotocatálisis ............................................ 111
xi
Índice de Ilustraciones
Ilustración 1 Posibles vías implicadas en la foto-inactivación de E. coli en presencia de
Fe2+, Fe3+ y H2O2 [D. Spuhler, Cat. Today. (2010)]. ....................................................... 22
Ilustración 2 Representación del proceso fotocatalítico heterogéneo en una partícula de
catalizador TiO2 suspendida en agua y del proceso de generación y recombinación de
un par e-/h+ sobre una partícula de TiO2 [Fernandez-Ibañez, Tesis Doctoral. (2004)]. .. 24
Ilustración 3 Mecanismo de desinfección del proceso fotocatalítico con TiO2 [Blanco-
Gálvez y Cols., Journal of Solar Energy Engineering. ( 2007)]....................................... 25
Ilustración 4 Espectros terrestres con el sol a 48,2 ° del ángulo cenital [ASTM,(1987)] y
extraterrestre [Thekaecera, Solar Energy. (1973)]. ........................................................ 28
Ilustración 5 Aplicación de SODIS en Indonesia. ........................................................... 29
Ilustración 6 Principales daños biológicos por las distintas franjas del espectro UV. ..... 30
Ilustración 7 Diagrama esquemático del funcionamiento de un colector solar. .............. 31
Ilustración 8 Proceso de Peroxidación lipídica ............................................................... 33
Ilustración 9 Descomposición grafica de un cromosoma (encontrado en el núcleo de la
célula) hasta los pares de bases del ADN. ..................................................................... 34
Ilustración 10 Dímero de Timina en la hélice del ADN. .................................................. 35
Ilustración 11 Representación y construcción de los DCC para K= 2 y 3 factores
[Laguna J., Diseño de Experimentos. (2011)]. ............................................................... 40
Ilustración 12 Mapa de pozos de extracción de agua potable en la Cuenca Rio Turbio
del Estado de Guanajuato (CIATEC). ............................................................................ 41
Ilustración 13 Analizador de Carbono Orgánico Total. ................................................... 50
Ilustración 14 Espectrofotómetro UV/VIS ATI UNICAM II .............................................. 55
Ilustración 15 Incubación de placas por 24 hrs a 37°C. ................................................. 57
Ilustración 16 Diagrama de equilibrio pH-Potencial del hierro-agua a 25 °C .................. 58
Ilustración 17 Diagrama de pourbaix del Titanio en agua pura, ácido perclórico e
hidróxido de sodio. ......................................................................................................... 58
Ilustración 18 pH-metro .................................................................................................. 59
Ilustración 19 a) Pozo de extracción .......................................................................... 63
Ilustración 20 b) Cauce del Rio Turbio ........................................................................... 64
Ilustración 21 Fotoreactor localizado en las instalaciones de CIATEC .......................... 66
Ilustración 22 Comparación de tratamientos con el proceso foto-Fenton a pH 3 ........... 69
Ilustración 23 Comparación de tratamientos foto-Fenton a pH 4 ................................... 72
Ilustración 24 Comparación de tratamientos en el proceso foto-Fenton a pH 5 ............. 75
Ilustración 25 Factor principal pH ................................................................................... 76
Ilustración 26 Factor principal H2O2 ............................................................................... 76
Ilustración 27 Factor principal Fe2+ ................................................................................ 77
Ilustración 28 Interaccion pH vs Fe2+ ............................................................................. 77
Ilustración 29 Interacción Fe2+ vs pH ............................................................................ 78
xii
Ilustración 30 interacciones Fe2+ vs H2O2 ...................................................................... 78
Ilustración 31 Deseabilidad ............................................................................................ 81
Ilustración 32 Contornos ................................................................................................ 81
Ilustración 33 Superficie de respuesta 3D ...................................................................... 82
Ilustración 34 Comparación de tratamientos Fotocatalíticos con TiO2 a pH 3 ............... 85
Ilustración 35 Comparación de tratamientos Fotocatalíticos con TiO2 a Grafica pH 5 ... 88
Ilustración 36 Comparación de tratamientos Fotocatalíticos con TiO2 a pH 7 ................ 90
Ilustración 37 Factor Principal TiO2 ............................................................................... 91
Ilustración 38 Factor principal H2O2 ............................................................................... 92
Ilustración 39 factor principal pH .................................................................................... 92
Ilustración 40 Interacción pH vs TiO2 ............................................................................. 93
Ilustración 41 interacción TiO2 vs H2O2 .......................................................................... 94
Ilustración 42 Interacciones H2O2 vs pH ......................................................................... 94
Ilustración 43 Superficie de respuesta 3D ...................................................................... 96
Ilustración 44 Comparación de procesos ...................................................................... 98
Ilustración 45 Experimento 1 CFU vs tiempo ............................................................. 99
Ilustración 46 Experimento 1 concentración mg/L vs tiempo.......................................... 99
Ilustración 47 Experimento 2 CFU vs Tiempo .......................................................... 100
Ilustración 48 Experimento 2 Concentración vs Tiempo .............................................. 100
Ilustración 49 Experimento 3 CFU vs QUV ................................................................... 101
Ilustración 50 Experimento 3 Concentración vs Tiempo .............................................. 101
Ilustración 51 Experimento 4 CFU vs QUV .................................................................... 102
Ilustración 52 Experimento 4 Concentración vs Tiempo ....................................... 102
Ilustración 53 Experimento 5 UFC vs QUV .................................................................... 103
Ilustración 54 Experimento 5 concentración vs tiempo ................................................ 103
Ilustración 55 Experimento 6 UFC vs QUV .................................................................... 104
Ilustración 56 Concentración vs Tiempo ...................................................................... 104
Ilustración 57 Experimento 7 UFC vs Tiempo .............................................................. 105
Ilustración 58 Concentración vs Tiempo ...................................................................... 105
Ilustración 59 Experimento 6 UFC vs Tiempo .............................................................. 106
Ilustración 60 Experimento 6 Concentración vs Tiempo .............................................. 106
Ilustración 61 Experimento 9 UFC vs QUV .................................................................... 107
Ilustración 62 Experimento 9 Concentración vs Tiempo .............................................. 107
Ilustración 63 Experimento 10 UFC vs QUV .................................................................. 108
Ilustración 64 Experimento 10 Concentración vs Tiempo ............................................ 108
Ilustración 65 Experimento 11 UFC vs QUV .................................................................. 109
Ilustración 66 Experimento 11 concentración vs Tiempo ............................................. 109
Ilustración 67 Comparación de tratamientos con foto-Fenton ...................................... 110
Ilustración 68 Comparación de tratamientos con Fotocatálisis..................................... 111
13
Capítulo 1 Introducción
1.1 Antecedentes
En la subcuenta del río Turbio se localizan tres acuíferos; Río Turbio, Valle de León y
Pénjamo-Abasolo, en 1998 el estudio Hidrológico del Acuífero del valle del río Turbio
llevado a cabo por la empresa Geopsa S.A. de C.V., se estableció que este es la
principal fuente de contaminación del acuífero del valle, demostrando así el riesgo
inminente de contaminación de los acuíferos no solo en León sino también en los
estados por los cuales recorre la cuenca Lerma-Chápala. [Geopsa, Estudio Hidrológico.
(1998)].
1.2 Problemática actual
En gran parte del estado de Guanajuato, principalmente en las ciudades de León,
Irapuato, Salamanca, Celaya se presentan problemas de disponibilidad de agua de
buena calidad y se ha creado una dependencia con el agua subterránea para satisfacer
las necesidades humanas.
La mayoría de este recurso subterráneo sufre sobreexplotación y riesgo de
contaminación debido primordialmente a las actividades agrícolas con el uso de
plaguicidas y seguido por el empleo de agua residual para irrigar los campos con altas
concentraciones de materia orgánica y coliformes fecales.
1.2.1 Problemática a resolver
Actualmente los procesos de purificación de agua para consumo humano son por
sedimentación que consiste en dejar reposar el agua en un contenedor de reposo y
aplicar un coagulante para producir el asentamiento de la materia sólida, la filtración es
el proceso de separar un sólido del líquido en el que está suspendido al hacerlos pasar
a través de un medio poroso (filtro) que retiene al sólido y por el cual el líquido pasa
fácilmente, por cloración se refiere a la destrucción de microorganismos patógenos del
agua la sustancia utilizada más frecuentemente es el hipoclorito de sodio al 5.1 % y de
14
este se agrega una gota por litro y por ozono que es el desinfectante más potente que
se conoce pero el más costoso ya que la inversión inicial de una instalación para
tratamiento por ozono es superior a la de cloración pero tiene la ventaja de no dejar
residuos.
1.3 Justificación
Como podemos darnos cuenta los procesos actuales utilizan el acoplamiento de varios
procesos para obtener la calidad de agua requerida, lo cual eleva el costo de inversión,
mantenimiento y operación, la situación es alarmante en las plantas potabilizadoras y
dan pauta para la aplicación de nuevos procesos en el tratamiento del agua sobre todo
cuando es de consumo humano y la extracción se realiza en pozos que han sido
contaminados y/o cuando la degradación de los contaminantes por medio natural no se
lleva a cabo, por ejemplo en comunidades rurales las cuales no cuentan con este tipo
de procesos de potabilización.
Los Procesos Avanzados de Oxidación han mostrado ser eficientes ante este tipo de
contaminantes generalmente a pequeña y mediana escala pueden usarse solos o
combinados entre ellos o con métodos convencionales, permitiendo así la desinfección
por inactivación de bacterias y virus, actualmente se utilizan concentraciones de 100
mg/L de TiO2 y los tiempo de tratamiento son de 4 a 5 horas en Fotocatálisis, en foto-
Fenton las concentraciones de H2O2 de 10 a 50 mg/L y de hierro de 5-10 mg/L. En este
trabajo se optimizaron los procesos Foto-asistidos para disminuir costos de reactivos
minimizando las concentraciones de los catalizadores y dosificando el agente oxidante
utilizados en ambos.
1.4 Objetivo general
Optimizar los Procesos Avanzados de Oxidación foto-Fenton y Fotocatálisis mediante la
metodología superficie de respuesta para llevar a cabo la oxidación de materia orgánica
en agua de consumo.
15
1.4.1 Objetivos específicos
Operar una planta piloto para analizar las variables que afectan la eficiencia en la
degradación de materia orgánica.
Determinar el carbono orgánico total para evaluar el nivel de mineralización de
los compuestos orgánicos.
Determinar la cantidad de carbonatos para descartar la dureza del agua en la
medición del carbono orgánico total.
Evaluar los tratamientos óptimos con la bacteria E. faecalis para comprobar la
eficiencia de los mismos.
1.5 Hipótesis
La optimización de los Procesos Avanzados de Oxidación foto-Fenton y Fotocatálisis da
como resultado la eficiente degradación de materia orgánica en agua de consumo.
1.6 Resumen del estado del arte
En la siguiente tabla se muestran los trabajos más significativos que sirvieron de base
para la realización de este trabajo.
16
Tabla 1 Estado del arte
Contaminante Condiciones
experimentales
Desinfección Referencias
Escherichia coli K12 5x10^6 UFC/mL
3x10^5 UFC/mL
99%
95%
Efectos de las condiciones experimentales
sobre la sobrevivencia de E. coli durante la
desinfección fotocatalítica del agua.
*Cosima Sichel, Photochemistry and
Photobiology A: Chemistry (2007).
Fusarium solani 0-500 mg/L de
H2O2
1000 UFC/mL
90% Sinergia letal de la radiación solar en las
esporas Fusarium solani en medio silvestre
y agua destilada.
*C. Sichel, water research 43 (2009).
Fusarium solani 5 and 10 mg/L Fe2+
H2O2 10 y 20 mg/L
pH 3
35 a 70% Foto-Fenton: una herramienta eficaz para la
eliminación de Fusarium en la simulación de
efluentes municipales.
*M.I Polo López, Applied Catalysis B:
Environmental (2011)
Esporas de hongo H2O2 50 mg/L
Tiempo 5 horas de
exposición solar.
325 UFC/mL
Máxima eficiencia Desinfección solar de esporas de hongo
en agua ayudado por pequeñas
cantidades de peróxido de hidrogeno.
*M.I Polo López , Photochemical &
Photobiological Sciences (2010)
E. coli 50 mg/L de TiO2
10^6 UFC/mL
Máxima eficiencia La desinfección solar fotocatalítica con
TiO2 inmovilizado a escala de planta
piloto. *Carlos Sordo, Water Science &
Technology (2010)
Cryptosporidium
parvum y cysts de
Giardia muris
Temperatura 20° a
40° C
Tiempo 6 a 12 h
NMP 1/10000
Máxima eficiencia Inactivación solar de Cryptosporidium
parvum y cysts de Giardia muris en agua
potable. * K.G. Mc Guigan, Applied
Microbiology ISSN (2005).
17
Capítulo 2 Marco Teórico
2.1 Procesos Avanzados de Oxidación (PAO’s)
Los Procesos Avanzados de Oxidación (PAO´s), son una alternativa atractiva para el
tratamiento de aguas superficiales, subterráneas y también para aguas contaminadas
con substancias antropogénicas de difícil biodegradación. El concepto de PAO´s se
define como “el proceso de oxidación en el cual se generan radicales libres hidroxilo
(OH) en cantidad suficiente, haciendo uso de diferentes sistemas de reacción para
efectuar la destrucción de compuestos tóxicos presentes en efluentes acuosos”. [C. P.
Huang, Waste Management. (1993)]. Los radicales libres (OH) son especies
sumamente oxidantes, y no selectivas, con un potencial de oxidación de 2.8 Volts
comparado en la escala de Electrodo Normal de Hidrogeno (ENH), los OH son la
segunda especie con mayor potencial oxidante tras el flúor.
Los PAO´s generalmente se clasifican de acuerdo con el método de generación del OH
(químico, electroquímico o fotoquímico). En este sentido, los PAO´s más utilizados son
los siguientes: a) Los procesos de degradación fotoquímicos: UV/O3, UV/H2O2,
fotocatálisis heterogénea (TiO2/UV) y la reacción foto-Fenton; b) Los procesos de
oxidación química (O3, O3/H2O2, H2O2/Fe2+-reacción Fenton-), c) La sonicación a
distintas frecuencias y d) El proceso electroquímico conocido como electro-Fenton. [S.
Malato, Cat. Today. (2009)].
De estos, la reacción de Fenton es uno de los sistemas de oxidación avanzada más
utilizado para el tratamiento de compuestos orgánicos en solución acuosa, esta fue
descubierta por Henry J. Fenton quien en 1894 demostró que el H2O2 podía ser
activado por sales de Fe2+ para oxidar ácido tartárico [Fenton, Journal of Chemical
Society. (1894)]. En 1934, Haber y Weiss propusieron que el oxidante activo generado
mediante la reacción de Fenton era el radical libre hidroxilo (OH) [Haber y Weiss, Royal
Society of London. (1934)]. Más tarde Barb y Cols revisaron el mecanismo original
propuesto por Haber y Weiss para dar lugar a lo que actualmente se conoce como la
18
reacción en cadena “clásica” o “vía radicales libre” de Fenton, en la que se considera
como etapa clave del proceso la producción de radicales hidroxilo [Barb y Cols.,
Transactions of the Faraday Society. (1949)]. La aplicación de la reacción Fenton como
proceso oxidante para la destrucción de sustancias orgánicas tóxicas comenzó a
desarrollarse a mediados de los años 60 [Brown y Cols., Journal of Organic Chemistry.
(1964)].
El proceso Fenton se lleva a cabo a través de una mezcla entre sales ferrosas (Fe2+) y
peróxido de hidrógeno (H2O2), lo cual resulta en la generación de los radicales libres
OH, de acuerdo con la siguiente ecuación [C. Walling, Accounts Chem. (1975)].
OHOHFeOHFe 3
22
2
1)
Por lo tanto los radicales OH se generan rápidamente a través del mecanismo
propuesto en la ecuación 1, aunque la eficiencia de este proceso depende de la
velocidad de producción y concentración de dicha especie.
En este contexto, la velocidad de degradación de contaminantes mediante la reacción
Fenton se ve ampliamente favorecida por la irradiación con luz ultravioleta (UV) [M.
Umar, Waste Management. (2010)], a este tipo de proceso foto-asistido se le conoce
como sistema foto-Fenton, ecuación 2 [D. Melgoza, Photochemical and Photobiology.
(2009)].
HOHFeOHFe hv 2
2
3
2)
El efecto positivo de la irradiación sobre la degradación de los compuestos orgánicos es
debido a que esta energía favorece la regeneración fotoquímica de los iones ferrosos
(Fe2+) a través de la foto-reducción de los iones férricos (Fe3+). De esta forma los
nuevos iones ferrosos generados reaccionan con el H2O2 generando un segundo
radical OH y un ion férrico, de acuerdo con la ecuación 1. En este proceso se
considera al hierro como un catalizador real.
Ambos procesos Fenton y foto-Fenton se han aplicado con gran éxito para el
tratamiento de una amplia variedad de compuestos orgánicos presentes en agua,
19
dentro de los cuales se incluyen a los fenoles, colorantes, compuestos halogenados,
pesticidas y en la potabilización.
Bandala y Cols., utilizan un sistema foto-Fenton a bajas concentraciones de Fe2+ (5-10
mmol/L) y H2O2 (140-240 mmol/L) para inactivar huevos de helminto y degradar el
colorante naranja acido 24 (AO24) y así determinar la dosis de radiación requerida para
conseguirlo. Los datos de inactivación siguieron el modelo cinético de Chick-Watson. La
dosis de radiación requerida para inactivar más de 5 Log de huevos de helminto fue
aproximadamente 140 kJ/L (con 10 mM Fe2+ y 280 mM de H2O2 iniciales). La
degradación completa del colorante se obtuvo en una dosis de 155 kJ/L con 0.7 mM de
Fe2+ y 5 mM de H2O2 y lograron una inactivación de 6 log de E. coli y P. aeroginosa con
una dosis inferior a 10 kJ/L. Los autores proponen los huevos de helminto como
indicador apropiado para evaluar la eficiencia del proceso de desinfección fotocatalítico
solar por su elevada resistencia [Bandala y Cols. Photochemistry and Photobiology,
(2011)].
Sphuler y Cols, han presentado recientemente un estudio detallado evaluando las vías
de inactivación seguidas por el efecto de Fe2+, Fe3+, H2O2 y foto-Fenton (Fe 2+ o Fe 3+
/H2O2/hv). Utilizaron bajas concentraciones de reactivos (0.6 mg/L de hierro y 10 mg/L
de H2O2) a un pH cercano a la neutralidad (pH 5 – 5.5). Emplearon E. coli k-12 como
indicador de la eficiencia de proceso en varios tipos de agua, agua desionizada con
resorcinol como modelo de materia orgánica natural (NOM por sus siglas en ingles) y
como fuente de radiación un simulador solar. Además de las propiedades altamente
bactericidas del proceso foto-Fenton a un pH casi neutro (pH 5 – 5.5), mostraron un
efecto bactericida positivo del Fe2+ solo y del Fe3+ bajo irradiación (Fe3+/hv). Esto se
explicó por la difusión y generación de reacciones Fenton de Fe2+ intracelulares,
mientras que el efecto de Fe3+/hv se atribuyó a la absorción del Fe3+ en la pared celular
bacteriana y fotosensibilización posterior de estos complejos de hierro dando lugar a la
oxidación directa de la membrana y la generación de especies reactivas del oxígeno
(ROS) por sus siglas en ingles cerca de los microorganismos [Spuhler y Cols, Applied
Catalysis Environmental. (2010)].
Los procesos de inactivación se subdividen en dos grupos. El primer grupo se refiere a
procesos que llegan a incrementar la generación de ROS en los sistemas de (a-j). La
20
segunda categoría se refiere a la manera de cómo estas especies reactivas afectan la
viabilidad de E. coli (1 y 2).
a) Enzimas como la catalaza o superóxido de sodio, responsables de la eliminación
del H2O2 generado y O2, pueden ser dañados por la luz cercana a UV-A, su
difusión puede conducir a un aumento de las concentraciones intracelulares de
ROS de larga vida como H2O2 y O2̇ [P.S. Hartman, Bacteriol. (1978)].
b) Fotosensibilizantes endógenas y exogenas absorben la luz en el espectro de los
rayos UV-A y visible. El PS excitado puede llegar a atacar directamente las
biomoléculas o reaccionar con el oxígeno circundante generando O2, O2●, H2O2
y/o ●OH [R.H. Reed, Appl. Microbiol. (2004)].
c) Auto-oxidación de flavoproteinas celulares (FADH 2) puede generar una mezcla
de O2, H2O2 y ●OH celular capaces de oxidar grupos de sulfuro de hierro [4Fe-
4S], lo que provoca la inactivación de proteínas de soporte, la liberación de Fe2+
y la generación de H2O2 [E.S. Henle, Biol. Chem.(1997)].
d) La luz UV-A puede dañar las proteínas que contienen hierro como la ferritina,
dando lugar a la liberación intracelular de Fe2+.[J. Hoerter, Photochem. Photobiol.
(1996)].
e) El peróxido intracelular puede reaccionar con un Fe2+ libre vía reacción Haber-
Weiss, generando un ●OH altamente toxico.[B. Halliwell, FEBS Lett. (1991)].
f) FADH 2, O2● o NADH pueden ser donadores de electrones efectivos y agentes
reductores para la generación de Fe2+ a Fe3+ dentro de la célula. [J. A. Imlay,
Rev. microbiol. (2003)].
g) El peróxido de hidrógeno es una especie oxidativa de larga vida, relativamente
estable (a diferencia del ●OH) y no cargado (a diferencia del O2●), cuando se
añade a la mayor parte, el H2O2 penetra a la membrana bacteriana y se difunde
a las células [J. A, Imlay, Rev. Biochem.(2008)].
h) Añadido el Fe2+ tiene una densidad de carga menor al Fe3+ y puede difundir
libremente en las células.
i) Añadido el Fe3+ en la mayor parte de la suspensión no se puede mover
libremente en las células. Fe3+ se puede absorber sobre la unión especifica de
las proteínas, que gestionan el transporte dentro de la célula para respiración
anaerobia facultativa a través de siderofos (agentes quelantes) en el citoplasma
21
[V. Braum, Med. Microbiol. (2001)]. El Fe3+ también podría unirse a otras
proteínas de la membrana bacteriana y a sus grupos carboxílicos terminales. La
deposición del Fe3+ en las células bacterianas podría dar lugar a la formación de
Fe3+, bacterias exipleces (son bacterias con emisiones espectrales únicas
exceptuando la fluorescencia). La fotosensibilización de estos límites del UV-A
podría dar lugar a la oxidación directa de la membrana, iniciando las cadenas de
peroxidación lipídica y la generación de Fe2+ y ●OH en tiro de piedra y con
objetivo al microrganismo [J.J Pignatello, Crit. Rev. Environ. Sci Technol. (2006)].
j) Fe2+ extracelular es oxidado con H2O2 vía Haber-Weiss que conduce a la
formación de ●OH altamente reactivo de corta vida y ROS en la mayor parte. La
foto-activación de Fe3+ y compuestos de hidrogeno pueden absorber la luz visible
y UV-A hacia la regeneración de Fe2+ y la formación de un adicional ROS la
mayor parte vía foto-Fenton. La formación de Fe3+ y compuestos hidrogenados
permiten que las reacciones foto-Fenton ocurran a pH cercano al neutro (pH 5-
5.5) [A. J. Safarzadeh, Adv. Oxidation Technol, (1996)].
(1) Los producción de ROS (Especies Reactivas de Oxigeno) como anión superóxido
(O2-) peróxido de hidrogeno (H2O2) y radical hidroxilo (•OH) reaccionaran con proteínas,
lípidos y ácidos nucleicos componentes de la membrana celular, llevando la iniciación
de las cadenas de peroxidación lipídica dentro de las células y en la membrana celular
que lleva a la permeabilidad y por consiguiente a la inactivación celular [B. Halliwell,
FEBS Lett. (1991)].
(2) El radical libre ●OH altamente reactivo es la única especie de oxigeno que puede
dañar directamente al ADN ya que ataca las bases de azúcar provocando su ruptura,
hasta ahora ningún mecanismo de defensa ha sido identificado por lo que conlleva a
incativación celular [U. Sattler, Arch. Biochem. Biophys. (2000)].
22
Ilustración 1 Posibles vías implicadas en la foto-inactivación de E. coli en presencia de Fe2+, Fe3+ y H2O2 [D. Spuhler, Cat. Today. (2010)].
La fotocatálisis es otro PAO, cuyo término se introdujo en el glosario científico en el año
de 1930, y normalmente este término es quien hace la división entre la química
tradicional y la química que estudia las reacciones catalizadas que proceden bajo la
acción de la luz V. N. Parmon, Cat. Today. (1997). Pero no fue hasta 1972 que se
descubrió su potencial aplicación, cuando Fusjishima y Honda reportaron la
descomposición fotocatalítica del agua sobre electrodos de dióxido de titanio (TiO2) A.
Fujishima, Nature. (1972), desde entonces la fotocatálisis se ha empleado para
efectuar la degradación de una gran variedad de compuestos orgánicos, dentro de los
cuales se incluyen a los alcanos, alcoholes, ácidos carboxílicos, alquenos, colorantes,
fenoles, hidrocarburos aromáticos, pesticidas, y en la potabilización del agua P.
Fernandez-Ibañez, Water Res. (2003). La fotocatálisis por lo tanto se define como la
aceleración de una foto reacción química mediante la presencia de un catalizador;
ambos, catalizador y luz son los elementos necesarios para este tipo de procesos V. N.
Parmon, Cat. Today. (1997).
23
Como se mencionó anteriormente, el catalizador más utilizado en este sistema es el
TiO2, cuyo mecanismo por medio del cual se efectúa la oxidación de los contaminantes
es el siguiente D. Robert, Sci. Total Environmental. (2002): Se ilumina al catalizador
con luz ultravioleta de energía superior a su banda prohibida, lo que origina un exceso
de electrones en la banda de conducción y huecos positivos en la banda de valencia
(par electrón/hueco, ecuación 6).
)(22
heTiOhvTiO 6)
Por lo tanto, en la superficie del TiO2 los huecos reaccionan tanto con el agua adsorbida
como con los grupos OH- para formar los radicales OH, de acuerdo con las siguientes
ecuaciones:
HOHOHh 2 7)
OHOHh 8)
Mientras que los electrones en exceso en la banda de conducción reaccionan con el
oxígeno molecular que en este caso actúa como aceptor de electrones para generar los
radicales súper-óxido, pero cuyo potencial de oxidación es mucho menor que el del
OH.
Con base en la información anterior, es evidente que la aplicación de los distintos
procesos de oxidación avanzada para el tratamiento de aguas contaminadas con
compuestos orgánicos y potabilización son una herramienta viable, como lo demuestran
Robert y Malato, quienes en 2002 publicaron un trabajo, en el cual exponen las ventajas
de los sistemas foto asistidos, principalmente la Fotocatálisis empleando TiO2, como un
proceso limpio para llevar a cabo la detoxificación de agua [Robert D. y Malato, Science
of the total Environmental. (2002)].
La ilustración 2 muestra un diagrama del proceso de fotocatálisis en una partícula de
TiO2 iluminada por luz solar. Este proceso se produce cuando la partícula es irradiada
con una longitud de onda cuya energía es superior al ancho de banda del
semiconductor (Longitud de onda < 387 nm; E>EG = 3.2eV) provocando el paso de un
24
electrón desde la banda de valencia hasta la banda de conducción para generar, en
presencia de agua radicales hidroxilo (OH).
Ilustración 2 Representación del proceso fotocatalítico heterogéneo en una partícula de catalizador TiO2 suspendida en agua y del proceso de generación y recombinación de un par e-/h+ sobre una partícula de TiO2 [Fernandez-Ibañez, Tesis Doctoral. (2004)].
La investigación científica ha tenido un avance significativo en cuanto a la desinfección
de aguas. La fotocatálisis heterogénea es el proceso de inactivación de
microorganismos ha sido estudiada desde 1985, en este año se demostró por primera
vez el potencial de este tratamiento para inactivar en 120 min especies bacterianas
tanto gram positivas (Lactobacillus acidophilus) como gram negativas (E. Coli)
irradiando suspensiones de TiO2/Pt. Sin embargo los microrganismos más resistentes
como el alga Chlorella Vulgaris que también se evaluaron sobrevivieron al tratamiento
el 55% de estas. Se atribuyó a las diferencias estructurales de las membranas y a las
paredes celulares de los microorganismos evaluados. Los autores comentaron que se
logró la desinfección mediante oxidación fotoquímica de la coenzima A y la
consecuente pérdida de la función respiratoria [Matsunaga y Cols., FEMS Microbiology
Letters. (1985)].
La exactitud del mecanismo de desinfección es uno de los principales retos para los
investigadores, inicialmente se propuso que el mecanismo de desinfección era la
dimerización de la coenzima A y consecuente inhibición de la respiración celular, sin
embargo se han encontrado evidencias de que la acción letal ocurre sobre membranas
y paredes celulares microbianas, se explicó esto debido a que se han detectado
productos lipídicos de la peroxidación como cationes, ARN y proteínas, además del
25
aumento en la permeabilidad de la membrana avalando la teoría de la degradación de
la pared celular. [Maness y Cols., Applied Environmental Microbiology. (1999)].
Actualmente se ha establecido que el primer ataque del TiO2 en el microorganismo se
produce en la membrana y la pared celular [Malato y Cols., Catalysis Today. (2009)]. En
la siguiente ilustración se muestra la generación de radicales libres OH con TiO2 y la
desinfección con este tratamiento. Los radicales generados sobre la superficie del
semiconductor atacan a los componentes de la pared celular, alterando la funcionalidad
de esta y provocando la muerte celular. De igual forma cabe la posibilidad de dañar a la
célula con la entrada de pequeñas partículas de TiO2 que producen la oxidación de
otros componentes celulares [Blanco-Gálvez y Cols., Journal Of Solar Energy
Engineering. (2007)].
Ilustración 3 Mecanismo de desinfección del proceso fotocatalítico con TiO2 [Blanco-Gálvez y Cols., Journal of Solar Energy Engineering. ( 2007)].
2.2 Peróxido de Hidrogeno y radiación solar
El H2O2 en los procesos de oxidación avanzada se ha utilizado con ozono, como
reactivo en el proceso foto-Fenton o bien con lámparas UV-C [Malato y Cols., Catalysis
Today. (2009)]. Su uso en dichas técnicas se debe a que la generación de radicales
libres hidroxilo por la fotolisis de H2O2 se produce al ser irradiado por fotones de
longitudes de onda inferiores a 300 nm de acuerdo con la siguiente reacción
26
[Jones,C.W., Royal Society of Chemistry.( 1999); Goldstein y Cols.,Environmental
Science Technology.( 2007)].
H2O2 + hv 2 OH
Dado que la radiación solar que alcanza la superficie de la tierra contiene una pequeña
fracción de UV-B (280-300 nm) y la mayoría de UV-A espectro (320-400nm), la
ausencia de fotones UV-C solares de la superficie terrestre impide que se produzca la
reacción. Sin embargo se han encontrado evidencias experimentales del efecto letal
cuando se combina el H2O2 con radiación UV-Vis sobre la viabilidad de varios
microorganismos.
En 1976 se obtuvo la primer evidencia de la sinergia letal de la luz solar con H2O2
[Anathaswamy y Eisenstark, Journal of Photochemistry and Photobiology. (1976);
Journal of Bacteriology. (1977); Anathaswamy y Cols., Journal of Photochemistry and
Photobiology.(1979)]. Ellos publicaron más tarde un trabajo sobre el efecto bactericida
del H2O2 y radiación UV-cercana en E. coli K-12. Ambos atribuyeron los resultados al
estrés oxidativo generado por la formación de un cromoforo (producto procedente de la
irradiación del aminoácido L-triptofano) [McCormick y Cols.,Science. (1976); Hartman y
Eisenstark,Mutation Research. (1980)]. La explicación es que este nuevo fotoproducto
era tóxico para mutantes de Salmonella Typhimurium [Yoakum y Eisenstark, Journal of
batecriology.(1972)] y E. Coli [Yoakum y cols., Journal of batecriology.(1974)]
En 2005 Rincón y Pulgarin describen el aumento de la inactivación de E. coli en
presencia de H2O2 y radiación solar, aunque este ensayo fue resultado del control en
una reacción fotocatalítica con foto-Fenton, la inactivación fue atribuida a la elevada
sensibilidad a la desinfección solar por la presencia de H2O2 [Rincon y Pulgarin, Applied
Catalisys Environmetal. (2005)].
Sciacca y Cols., en 2010 describieron el efecto benéfico que presenta la adición de 10
mg/L de H2O2 a la desinfección solar (SODIS) en botellas de PET para la desinfección
de aguas superficiales que contienen de forma natural hierro disuelto (0.3 mg/L) a pH
neutro. Analizaron que la desinfección solar no lograba la inactivación completa de
Salmonella sp y coliformes durante 6 horas de irradiación solar y 72 horas en oscuridad
post-tratamiento, mientras que la adición de 10 mg/L de H2O2 resultó en un fuerte
27
aumento de la inactivación, sin observar recrecimiento de las bacterias tras el
tratamiento [Sciacca y Cols., Chemosphere.(2010)].
Si se realiza una comparación con otros agentes oxidantes, el peróxido de hidrogeno
es barato, seguro, fácil de manejar y no representa una amenaza para el medio
ambiente ya que se descompone fácilmente en agua y oxígeno, lo cual, sumando al
fuerte efecto positivo generado sobre inactivación microbiana, lo convierte en una
alternativa a los procesos convencionales de desinfección. Además de no ser tóxico a
concentraciones menores de 50 mg/L y descomponerse a temperaturas mayores a 50
°C ó después de 24 horas de haberse añadido.
2.3 Radiación Solar y su efecto germicida
2.3.1 Radiación solar terrestre
A la superficie de la tierra llegan longitudes de onda comprendidas entre 320 y 900 nm,
correspondientes a la radiación UV-B lejana, UV-A, radiación visible e infrarroja. De
toda la radiación que incide sobre la superficie terrestre, la densidad superficial de
energía radiante se distribuye en un 7,8 % de ultravioleta, un 47,3 % de visible y un
44,9 % de infrarroja [Fernandez-Ibañez, Tesis Doctoral. (2004)].
La radiación global se clasifica en directa y difusa, la radiación directa es la que llega a
la superficie de la tierra sin haber sufrido cambio en su trayectoria lineal desde el disco
solar. La radiación difusa es dispersada por nubes y vapor de agua de forma diferente a
la directa, debido a los procesos de absorción y dispersión de luz.
De toda la energía radiante emitida por el sol en un año (Potencia = 1033 erg/s ;
energía = 3,15 x 1034 J = 8,75 x 1027 kWh), tan solo llegan a la tierra 5,4 x 1024 J.
Debido a la absorción y dispersión de la energía radiante emitida por el sol sufre una
modificación en la intensidad que es dependiente de los componentes atmosféricos con
los que interacciona y de la longitud de onda de la radiación. [Thekaecera, Solar
Energy. (1973)].
28
Podría establecerse un valor promedio estimado de irradiación global UV recibida, este
puede variar con la localización del emplazamiento (longitud, latitud) y con el tiempo.
Para medir la radiación se emplean piranometro de radiación UV global.
Ilustración 4 Espectros terrestres con el sol a 48,2 ° del ángulo cenital [ASTM,(1987)] y extraterrestre [Thekaecera, Solar Energy. (1973)].
2.3.2 Desinfección de agua por radiación solar
La desinfección de agua mediante radiación solar enfocada a la disminución de la
capacidad de reproducción de los microorganismos se conoce desde años atrás. Acra y
Cols definen el concepto de desinfección solar (SODIS) en agua de consumo y
rehidratantes en solución [Acra y cols, 1980]. La OMS aprobó este tratamiento SODIS
para desinfectar el agua en uso doméstico. Con ello fueron beneficiados los países en
vías de desarrollo. [OMS, Publicación. (2009)].
SODIS es un método barato y eficaz para desinfectar el agua usando solo botellas
plásticas transparentes, la exposición a la luz ha demostrado desactivar
microorganismos que causan diarrea. El tiempo requerido para la desinfección es de 6
horas como mínimo para obtener la sinergia entre temperatura y radiación [Wegelin y
Cols., Journal of Water SRT-Aqua. (1994)], sin embargo en días nublados se requieren
2 días consecutivos.
29
Ilustración 5 Aplicación de SODIS en Indonesia.
El daño a las células bacterianas depende de la fracción del espectro UV como se
muestra a continuación:
UV-Vacío (100-200 nm): esta se disipa en el agua rápidamente y no alcanza la
superficie terrestre por lo que las células no sufren efecto alguno.
UV-C (200- 280 nm): Esta es retenida principalmente en la capa de ozono pero se ha
utilizado en lámparas para desinfección de agua; es la longitud de onda de máxima
adsorción del ADN por lo que es la más energética y peligrosa para las células.
UV-B (280-320 nm): de igual forma queda retenida en la capa de ozono pero puede
provocar alteraciones al ADN.
UV-A (320-400 nm): es similar a la UV-B sin embargo requiere mayores dosis para
generar el mismo efecto al ser menos energética.
En la siguiente figura se pueden observar los principales daños generados sobre las
células por las distintas franjas del espectro solar que corresponde a cada rango de
radiación UV. Dependiendo del rango de radiación UV empleado se llevaran a cabo
distintos mecanismos de inactivación celular. [Malato y Cols., Catalisys Today. (2009)].
30
Ilustración 6 Principales daños biológicos por las distintas franjas del espectro UV.
2.4 Captadores solares CPC
La utilización de la energía solar a través de la concentración es una alternativa
promisora. Dentro de los usos de la energía solar los sistemas de concentración más
usadas es el CPC (Colector Parabólico Compuesto). En 1981 Rapp [D. Rapp, Solar
Energy. (1981)]., desarrollo el CPC utilizando una descripción matemática basada en
geometría analítica y, a través de esta, obtuvo los parámetros geométricos importantes
para el diseño. Las ventajas de este sistema para su aplicación en la fotocatálisis se
muestran a continuación [Romero y Cols., Solar Energy. (1999)]. Aprovechamiento de
radiación directa y difusa, frente a los de seguimiento de la trayectoria solar, los cuales
solo captan la directa.
Su rendimiento óptico es muy alto ya que aprovechan toda la radiación que les
llega y puesto que no recibe un flujo fotónico excesivo, se obtiene una eficiencia
en las reacciones de fotocatálisis muy elevada.
No se producen aumentos en la temperatura importantes en el seno de la
reacción fotocatalítica, por lo que se evitan problemas de pérdidas o volatilización
de compuestos orgánicos.
31
Permite el uso de reactores presurizados, tanto para evitar pérdidas de volátiles
como para aumentar la concentración de O2, si fuese necesario.
Requiere el uso de un reactor tubular evitando los problemas de los sistemas no
concentradores, que tienen un flujo laminar y ofrecen una transferencia de
materia muy baja. En el tubular se produce un flujo turbulento, favorable para la
fotocatálisis.
Sus costes de construcción, instalación y mantenimiento se pueden abaratar
bastante si se compara a los colectores de seguimiento.
El funcionamiento de estos colectores consiste básicamente en recoger la radiación
solar y tenerla disponible para los procesos fotocatalíticos. Dicha radiación es
concentrada mediante espejos parabólicos o superficies reflectantes [Luis Fernando
Garces, revista lasallista de la investigación, Vol. I No. 1]., conduciéndolas hacia el foco
de dicha parábola a lo largo de la cual se encuentra el tubo absorvedor tal como se
muestra en la siguiente ilustración
Ilustración 7 Diagrama esquemático del funcionamiento de un colector solar.
2.5 Inactivación celular mediante OH
32
La generación de especies reactivas del oxígeno (ROS por sus siglas en inglés) tales
como el superóxido, el peróxido de hidrogeno y el radical hidroxilo son los mecanismos
principales en el proceso de inactivación celular de los microorganismos.
Los radicales libres son moléculas inestables y muy reactivas su vida biológica es de
microsegundos, para conseguir la estabilidad modifican a moléculas de su alrededor
provocando la aparición de nuevos radicales, por lo que se crea una reacción en
cadena que dañara muchas células y puede ser indefinida si los antioxidantes no
intervienen.
Los radicales libres producen daño a diferentes niveles de la célula:
Atacan a los lípidos y proteínas de la membrana celular por lo que la célula no puede
realizar sus funciones vitales (transporte de nutrientes, eliminación de desechos,
división celular, etc.)
El radical superóxido O2‾ se encuentra normalmente en el metabolismo provoca una
reacción en cadena de la lipoperoxidación de los ácidos grasos de los fosfolípidos de la
membrana celular [Federación Café. Publicación, (2012)].
La peroxidación lipídica o lipoperoxidación es una reacción catalítica donde las
especies reactivas del oxígeno o radicales libres sustraen los átomos de oxigeno de
hidrogeno a las moléculas de ácidos grasos poliinsaturados (Ilustración 8) [Dra. Susana
Llesuy, Tesis.]
Al igual que cualquier reacción con radicales libres, esta consiste en tres pasos
fundamentales: iniciación, propagación y terminación.
Iniciación es el paso en donde el radical de ácido graso es producido. Los iniciadores
de células vivas más notables son ROS tales como el OH el cual combina un
hidrógeno para dar lugar a agua y a un ácido graso radical.
Propagación el ácido graso radical no es una molécula estable, de modo que
reaccionan rápidamente con oxígeno molecular, creando de este modo un ácido graso
peroxil radical. El mismo también es una especie muy inestable por lo cual reacciona
con otro ácido graso dando lugar a un ácido graso radical diferente y a un peróxido
33
cíclico si ha reaccionado consigo mismo. Este nuevo ciclo continúa ya que el nuevo
ácido graso radical se comporta de la misma manera.
Terminación cuando un radical reacciona siempre se produce otro radical, es por ello
que se trata de un mecanismo de reacción en cadena. La reacción radical se detendrá
cuando dos radicales reaccionen y producen una especie no radical. Esto ocurre
solamente cuando la concentración de especies radicales es lo suficientemente alta
como para que exista la probabilidad de que se encuentren dos radicales.
Los OH atacan la membrana celular, que consiste principalmente de lípidos, además
los productos finales de la peroxidación lipídica pueden ser mutagenicos y
carcinogénicos.
Ilustración 8 Proceso de Peroxidación lipídica
El producto final malondialdehido reacciona con la deoxiadenosina y la deoxiguanosina
del ADN formando aductos (exposición a una sustancia extraña en este caso
malondialdehido que resulta en una mutación) del ADN.
34
La luz UV induce a la formación de enlaces covalentes por reacciones localizadas en
enlaces dobles C=C induciendo a la formación de dímeros de pirimidina, estos son
lesiones moleculares formadas a partir de bases de citosina o timina en el ADN. Los
más frecuentes son los dímeros de timinas (Ilustración 9 y 10) estos producen un
bloqueo en la replicación del ADN y por lo tanto la célula muere.
Ilustración 9 Descomposición grafica de un cromosoma (encontrado en el núcleo de la célula) hasta los pares de bases del ADN.
35
Ilustración 10 Dímero de Timina en la hélice del ADN.
2.6 Unidades Formadoras de Colonias
2.6.1 Recuento en placas
El método utilizado con más frecuencia para la medición de las unidades bacterianas es
el recuento en placa. Se basa en la premisa de que cada célula microbiana crece y se
divide de forma aislada para generar una colonia, aunque no es siempre cierto y más
en las bacterias que crecen normalmente formando cadenas o grupos, Una ventaja
importante de esta técnica es que mide el número de células viables. Una desventaja
es que se requiere bastante tiempo por lo general 24 horas o más para que se formen
colonias visibles.
Para reflejar esta realidad en los recuentos en placa suelen informarse como Unidades
Formadoras de Colonias.
Cuando se realiza el recuento en placa es importante que crezca solo un número
limitado de colonias en la placa.
Cuando hay demasiadas colonias algunas células se encuentran apiñadas y no pueden
desarrollarse; esta situación es causa de inexactitudes en el recuento. La convención
de la Food and Drug Administration de los Estado Unidos recomendó que se cuenten
solo las placas con 25 a 250 colonias, si bien muchos microbiólogos prefieren las
placas con 30 a 300 colonias.
La técnica del recuento en placa se puede realizar mediante dos procesos diferentes;
bien mediante placa vertida o por diseminación en superficie. La técnica de vertido en
placa consiste en adicionar sobre una placa Petri la muestra y a continuación añadir el
medio de cultivo semisólido sobre la placa, de modo que el medio termina en solidificar
conjuntamente con la muestra. Para ello se mantiene en baño maría hasta a 50°C, para
evitar su solidificación. Tras agitar suavemente la placa y esperar que solidifique, se
incuban las placas y finalmente se pueden contar las colonias que han crecido en el
36
interior del agar. Esta técnica presenta algunos inconvenientes tales como el posible
daño térmico ocasionado sobre las células microbianas.
Por ello la técnica de diseminación en superficie de una placa es más empleada para el
recuento en placa. Esta se basa en la adición sobre la superficie de una placa
conteniendo el agar previamente solidificado de un determinado volumen de muestra
(entre 50 y 500 microlitros) y se extiende suavemente empleando para ello un asa de
plástico esterilizada y desechable las cuales tienen la forma típica de “L”.
2.7 Enterococos intestinales
2.7.1 Descripción General
Los enterococos intestinales son un género de bacterias del ácido láctico. Estas
bacterias son grampositivas y relativamente tolerantes al cloruro sódico y al pH alcalino.
Son anaerobias facultativas y pueden encontrarse aisladas, en parejas o en cadenas
cortas. Todos los estreptococos fecales, incluidos los enterococos intestinales, dan una
reacción positiva con antisueros anti grupo D de Lancefield y se han aislado en las
heces de animales de sangre caliente. El subgrupo de los enterococos intestinales está
formado por las especies Enterococcus faecalis, E. faecium, E. durans y E. hirae. Este
grupo separó del resto de los estreptococos fecales porque son índices relativamente
específicos de contaminación fecal. Sin embargo, ocasionalmente, algunos enterococos
intestinales aislados del agua pueden también proceder de otros hábitats, como el
suelo, en ausencia de contaminación fecal [Pinto B et al., Letters in Applied
Microbiology, (1999)].
2.7.2 Fuentes y prevalencia
Los enterococos intestinales se excretan habitualmente en las heces humanas y de
otros animales de sangre caliente. Algunas especies de este grupo también se han
detectado en suelos, en ausencia de contaminación fecal. Hay concentraciones altas de
enterococos intestinales en las aguas residuales y en los medios acuáticos
contaminados por aguas residuales o por residuos humanos o animales.
37
2.7.3 Relevancia de su presencia en el agua de consumo
El E. faecalis es una cepa de microorganismos responsables de muchas afecciones,
tales como infecciones urinarias e intestinales. El análisis médico y el tratamiento son
necesarios para estas infecciones y evitar su reproducción, las cepas sensibles de
estas bacterias pueden tratarse con ampicilina y vancomicina.
Para prevenir y controlar la contaminación biológica del agua debería realizarse un
seguimiento de la calidad bacteriológica de las aguas de suministro en zonas rurales,
así como desarrollar y adoptar nuevas tecnologías que permitan la inactivación celular
de dichos microorganismos.
2.8 Metodología Superficie de Respuesta
Después de una primera etapa experimental quizá sea necesario desplazar la región
experimental (moverse de lugar) en una dirección adecuada, o bien explorar en forma
más detallada la región experimental inicial. La forma de realizar ambas cosas es parte
de la llamada metodología superficie de respuesta (MSR).
La MSR es la estrategia experimental y de análisis que permite resolver el problema de
encontrar las condiciones de operación optimas de un proceso, es decir, aquellas que
dan por resultado “valores óptimos” de una o varias características de calidad de
producto.
Región experimental es el espacio delimitado por los rangos de experimentación
utilizados por cada factor. La región de operabilidad está delimitada por el conjunto de
puntos o condiciones donde el equipo o proceso puede ser operado.
Elementos de Superficie de Respuesta implica tres aspectos: diseño, modelo y técnica
de optimización; diseño en MSR experimento apropiado basado en el conocimiento
actual acerca de la posible ubicación del punto óptimo y el modelo de regresión que se
requiere ajustar, modelo de MSR es la ecuación matemática que relaciona la variable
de respuesta con los factores a estudiar en el diseño, optimización es la técnica
38
matemática que sirve para extraer la información sobre el punto óptimo que tiene el
modelo ajustado.
Se distinguen tres etapas en la búsqueda del punto óptimo, que son: cribado, búsqueda
I o de primer orden y búsqueda II o de segundo orden.
Cribado: la optimización de un proceso se inicia con esta etapa cuando tiene muchos
factores (más de 6 u 8) que influyen en la variable de interés.
Búsqueda de primer orden: etapa de MSR en la que se utiliza un diseño-modelo de
primer orden para caracterizar de manera preliminar la superficie y detectar curvatura.
Búsqueda de segundo orden: etapa de MSR en la que se utiliza un diseño-modelo de
segundo orden con el que se caracteriza adecuadamente la superficie de respuesta,
incluyendo la curvatura.
Si la superficie no tiene curvatura y es descrita de manera adecuada por el modelo de
primer orden, entonces el modelo se utiliza para moverse experimentando en la mejor
dirección hasta detectar un cambio de tendencia, en este caso se aplica de nuevo la
búsqueda I. pero si hay curvatura o la superficie es más complicada se pasa a la
búsqueda II.
Los modelos que se utilizan en MSR son básicamente polinomios, de esta manera si se
tienen k factores, el modelo de primer orden está dado por:
𝑦 = 𝛽0 + ∑ 𝛽𝑖𝑥𝑖 + 𝜀𝑘
𝑖=1
Y el modelo de segundo orden es:
𝑦 = 𝛽0 + ∑ 𝛽𝑖𝑥𝑖 + ∑ 𝛽𝑖𝑖𝑥2𝑖+∑ ∑ 𝛽𝑖𝑗𝑥𝑖𝑥𝑗
𝑘𝑗=1 +𝜀𝑘
𝑖=1𝑘𝑖=1
𝑘𝑖=1
Cuando un modelo es de primer orden se observa que su superficie es plana, si es de
segundo orden pueden ser superficie máximo (montaña), superficie mínimo (valle) y
superficie de punto silla (minimax).
39
Diseños de superficie de respuesta se clasifican con base en el grado del modelo que
se pretende utilizar. Estos diseños proporcionan los tratamientos a correr para generar
datos que permitan ajustar un modelo que describa una variable de respuesta en una
región experimental.
Diseños de primer orden suponga que se desea utilizar el modelo de primer orden para
estudiar el comportamiento de cierta característica de calidad, que se supone depende
de k factores de proceso. En principio, al proponer un diseño de primer orden se
supone que solo son importantes los efectos principales.
Los diseños que satisfacen este criterio son los que tienen la propiedad de
ortogonalidad. Entre los más útiles están los siguientes:
1.-Diseños factoriales 2k
2.-Diseños factoriales fraccionados 2k-p
3.- Diseño de Plackett-Burman
4.- Diseño simplex
Todos estos diseños, excepto el diseño simplex, emplean dos niveles en cada factor, lo
cual tiene que ver con el hecho de que solo interesa detectar el efecto principal de
cada factor.
Diseño de segundo orden
Se llaman así aquellos que permiten ajustar un modelo de segundo orden para así
estudiar, además de los efectos lineales y de interacción, los efectos cuadráticos o de
curvatura pura. Por consiguiente estos se emplean cuando se requiere explorar una
región que se espera sea más compleja o cuando se cree que el punto óptimo se
encuentra dentro de la región experimental.
Los diseños de segundo orden más recomendados son:
40
1.- Box-Behnken
2.- Diseño central compuesto
El diseño Box-Behnken se aplica cuando se tienen 3 o más factores y suelen ser muy
eficientes en cuanto su número de corridas.
El Diseño Central Compuesto es el más utilizado en la etapa de búsqueda de segundo
orden debido a su gran flexibilidad: se puede construir a partir de un diseño factorial
completo 2k o fraccionado 2k-p agregando puntos sobre los ejes al centro.
Este diseño se compone con tres tipos de puntos:
1.- Una réplica de un diseño factorial en dos niveles, completo o fraccionado. A esta
parte del DCC se le llama porción factorial.
2.- n0 puntos o repeticiones al centro del diseño, con n0 ≥ 1.
3.- Dos puntos sobre cada eje a una distancia α del origen, estos puntos se llaman
punto axial [Pulido y Salazar, Publicación. (2008)]. La manera en que se ensambla y el
DCC resultante se muestra en la siguiente figura:
Ilustración 11 Representación y construcción de los DCC para K= 2 y 3 factores [Laguna J., Diseño de Experimentos. (2011)].
41
Capítulo 3 Procedimiento de Investigación
3.1 Muestreo
Para la etapa del muestreo se utilizó la Ilustración 11 Mapa de pozos de extracción y la
tabla número 2, elaborados por el Centro de Innovación Aplicada en Tecnologías
Competitivas, en el cual se ubicaron geográficamente los pozos de extracción de agua
localizados en la Cuenca Rio Turbio.
Ilustración 12 Mapa de pozos de extracción de agua potable en la Cuenca Rio Turbio del Estado de Guanajuato (CIATEC).
En La siguiente tabla se caracteriza cada uno de los pozos de acuerdo al nombre,
longitud, latitud, elevación, profundidad al nivel estático y la profundidad total del pozo,
esto ayudó a localizar los pozos mediante sus coordenadas ahorrando tiempo en la
búsqueda de estos.
42
Tabla 2 Tabla de Ubicación de Pozos de extracción de agua potable.
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1
Hacienda el Castillo - Efrén González Hernández 21.24 101.79 833761.90 2351591.54 1986.83 121.07
2
Mario Santos Amezquita Murillo - la venta de la Purísima 21.25 101.80 832309.15 2353253.00 1990.33 91.34
3 A. potable las tortugas iii 21.14 101.97 814810.93 2340883.67 1850.72 74.38
4 A. potable las tortugas i 21.13 101.96 815878.08 2339644.88 1820.72 52.95
5 A. potable las tortugas ii 21.12 101.96 816084.34 2338206.70 1834.72 62.36
6
Ángel Morales - las tortugas – agrícola 21.15 101.94 817584.24 2342145.23 1873.72 55.10
7 Rancho San Ignacio 21.12 101.94 817642.02 2338791.33 1833.72 82.05
8 Gigantes tepa - estación pedrito 21.13 101.92 819722.01 2339806.73 1800.73 41.10
9 A. potable san José del caliche 21.13 101.92 820299.78 2339899.04 1798.22 28.90
10 Estación pedrito – agrícola 21.14 101.91 820675.33 2340268.28 1800.16 21.12
11 A. potable estación pedrito 21.17 101.91 820617.55 2344145.26 1808.66 28.51
12 La presa de los patos 21.15 101.89 822784.21 2341775.99 1840.66 34.46
13 La presa de los patos 21.13 101.90 822119.77 2339899.04 1812.66 58.05
14 Estación pedrito – agrícola 21.13 101.91 820762.00 2339991.35 1797.66 22.18
15 Estación pedrito – agrícola 21.11 101.93 819274.23 2337862.08 1798.22 24.46
16 Estación pedrito - la curva 21.12 101.91 821339.77 2338822.10 1789.66 24.90
43
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17 A. potable las palmas 21.14 101.86 825904.18 2340360.59 1812.16 37.02
18
Jesús Estrada Solís - agrícola - las palmas 21.13 101.85 827579.73 2339929.81 1791.33 17.07
19 Estación pedrito – agrícola 21.13 101.92 819779.78 2339129.80 1797.22 33.72
20 Estación pedrito – agrícola 21.13 101.93 818710.90 2339437.49 1827.22 67.35
21 Estación pedrito – agrícola 21.13 101.93 818991.12 2339594.42 1816.72 56.85
22 Sociedad ejidal las palmas 21.13 101.85 827059.73 2339129.80 1804.66 31.52
23 Las palmas – agrícola 21.13 101.84 828099.72 2339775.96 1794.33 10.02
24 San Apolonio - las palmas 21.12 101.85 827290.84 2338606.71 1798.66 25.69
25 José Luis barajas - San Cristóbal 21.02 101.93 818682.01 2327868.07 1913.22 24.22
26 rancho la angostura 21.05 101.93 819346.45 2330945.05 1889.72 44.83
27 Rubén Gutiérrez - la garita 21.03 101.94 817410.91 2328268.08 1912.71 25.15
28 José Ramos - la garita 21.04 101.95 816457.59 2329560.41 1893.72 23.50
29
A. potable san Diego de Alejandría 20.99 101.99 813017.26 2323928.70 1939.68 34.68
30 A. potable casa blanca 20.90 102.05 806950.31 2313433.13 1785.42 40.42
31 Pénjamo – Abasolo 20.64 -101.38
33.92 60
32 Pénjamo – Abasolo 20.62 -101.48
65.93 150
33 Pénjamo – Abasolo 20.61 -101.54
74.89 200
34 Pénjamo – Abasolo 20.67 -101.57
60.72 150
35 Pénjamo – Abasolo 20.62 -101.67
31.92 100
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36 Pénjamo - Abasolo 20.54 -101.52
71.87 150
37 Pénjamo - Abasolo 20.53 -101.37
65.09 100
38 Pénjamo - Abasolo 20.51 -101.44
61.26 150
39 Pénjamo - Abasolo 20.55 -101.58
37.09 80
40 Pénjamo - Abasolo 20.51 -101.61
14.82 100
41 Pénjamo - Abasolo 20.44 -101.70
200
42 Pénjamo - Abasolo 20.36 -101.69
76.11 150
43 Pénjamo - Abasolo 20.47 -101.62
13.26 250
44 Pénjamo - Abasolo 20.35 -101.61
37.27 60
45 Pénjamo - Abasolo 20.46 -101.52
64.5 160
46 Irapuato 20.72 -101.31
89.28 163
47 Irapuato 20.63 -101.34
82.05 135
48 Silao - Romita 20.81 -101.68
59.95 200
49 Silao - Romita 20.81 -101.68
59.83 250
50 Silao - Romita 20.80 -101.70
2.5 150
51 Silao - Romita 20.85 -101.53
65.08 120
52 Silao - Romita 20.87 -101.57
83.34 260
53 Silao - Romita 20.95 -101.49
3.27 120
54 Silao - Romita 20.91 -101.49
101.02 200
55 Silao - Romita 20.78 -101.49
53.2 75
56 Silao - Romita 20.91 -101.37
400
57 Silao - Romita 20.94 -101.41
10
58 Silao - Romita 20.89 -101.27
104.07 330
59 Silao - Romita 20.93 -101.25
135.94 350
60 Silao - Romita 20.93 -101.26
317
61 Silao - Romita 20.75 -101.39
56.05 160
45
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62 Silao - Romita 20.75 -101.39
49.64 185
63 Silao - Romita 20.77 -101.33
180
64 Silao - Romita 20.93 -101.42
75.82 200
65 Silao - Romita 21.02 -101.43
65.63 250
66 Silao - Romita 20.99 -101.46
40.9 80
67 Silao - Romita 20.98 -101.50
66.4 180
68 Silao - Romita 20.87 -101.52
84.25 200
69 Silao - Romita 20.86 -101.53
76.18 180
70 Silao - Romita 20.91 -101.46
126.92 250
71 León 20.96 -101.53
61.8 150
72 León 20.97 -101.54
39.02 108
73 León 21.08 -101.57
66.25 100
74 León 21.07 -101.61
135.04 240
75 León 21.09 -101.79
169.49 300
76 León 21.06 -101.71
77.94 250
77 León 21.04 -101.77
57.11 225
78 León 21.06 -101.65
127.32 210
79 León 21.01 -101.67
139.49 300
80 León 20.99 -101.59
85.96 200
81 León 20.95 -101.60
71.15 188
82 León 21.02 -101.57
69.15 167
83 León 20.90 -101.66
48.88 112
84 León 20.92 -101.68
250
85 León 20.94 -101.73
358
86 León 20.79 -101.70
62.65 200
87 León 20.98 -101.77
80.7 200
88 León 21.09 -101.51
52.3 144
89 León 21.04 -101.54
35.92 100
90 León 20.95 -101.70
47.6 150
91 La muralla 20.97 -101.77
139.91 300
92 La muralla 20.97 -101.77
160.08 250
93 La muralla 20.87 -101.75
128.21 320
94 La muralla 20.84 -101.76
127.7 320
95 La muralla 20.82 -101.72
111.76 328
46
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Ele
vació
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el
está
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96 La muralla 20.86 -101.87
152.33 300
97 La muralla 20.97 -101.70
135.88 0
98 Turbio 21.04 -101.85
36.23 90
99 Turbio 21.04 -101.82
67.6 100
100 Turbio 21.07 -101.87
26.53 100
101 Turbio 20.93 -101.91
67.57 120
102 Turbio 20.91 -101.88
55.16 225
103 Turbio 20.92 -101.83
100 207
104 Turbio 21.00 -101.80
67.75 100
105 Turbio 20.79 -101.94
37.78 100
106 Turbio 21.00 -101.80
14.54 100
107 Turbio 21.02 -101.74
123.24 298
108 Turbio 20.67 -101.86
28.4 175
109 Turbio 20.67 -101.87
43.9 95
110 Turbio 20.65 -101.92
54.53 150
111 Turbio 20.67 -101.86
42.04 200
112 Turbio 20.72 -101.82
50.7 120
113 Turbio 20.80 -101.89
18.49 150
114 Turbio 20.82 -101.92
25.16 90
115 Turbio 20.81 -101.88
31.69 200
116 Turbio 20.81 -101.95
45.02 200
47
3.1.1 Tamaño de muestra para la realización de estudios
En el caso de los estudios el tamaño de la muestra necesario dependerá del tipo de
estudio, del nivel de confianza, de la potencia muestral y de los valores de riesgo
relativos mínimos que se desean detectar. El número de individuos a muestrear se
puede calcular con la siguiente formula:
𝑛 = [𝑧𝛼(2𝑝𝑞)1/2 − 𝑧𝛽(𝑝𝑒𝑞𝑒 + 𝑝𝑐𝑞𝑐)1/2]
1/2
(𝑝𝑒 − 𝑞𝑐)2i
Dónde:
n=Tamaño de la muestra
𝑧𝛼=1.96 para el 95% de confianza, 2.56 para el 99 %
𝑧𝛽= 0.84 para un error ᵦ del 20%
𝑝𝑒= Eficacia esperada del tratamiento A
𝑝𝑐= Eficacia esperada del tratamiento B
𝑝 =(𝑝𝑒+𝑝𝑐)
2
𝑞 = 1 − 𝑝
𝑧𝛼 y 𝑧𝛽 son dos estadísticos asociados al error 𝛼 (o error tipo 1) y al error 𝛽 (error tipo
2). El error alfa corresponde a uno menos el nivel de confianza y consiste en aceptar
que los grupos son diferentes (rechazar la hipótesis nula) cuando en realidad los grupos
son iguales.
El error beta es uno menos la potencia o poder de la prueba y consiste en la
probabilidad de considerar que los grupos son iguales (se acepta la hipótesis nula)
cuando en realidad son diferentes.
En este caso se consideraron los siguientes datos para el cálculo de tamaño de
muestra con un nivel de confianza del 95%, y un error del 20 %, con una eficacia
esperada para el tratamiento con fenton/Foto-Fenton del 45 % y para Fotocatálisis del
48
60%, el valor de p= 0.45-0.55/2=0.175 y q= 1-p=0.825, por lo cual el tamaño de muestra
se calculó de la siguiente manera:
n=(1.96*((2*0.175*0.825)^1/2)+0.84*((0.45*0.55+0.6*0.4)^1/2)/((0.45-0.6)^2))
n= 9.382975 = 10
Con ayuda de la calculadora se eligió la opción de datos aleatorios enteros, con una
salida de filas de 10 datos con un valor mínimo de 1 y un valor máximo de 116, los
números aleatorios obtenidos son los siguientes: 31, 68, 18, 81, 97, 40, 43, 72, 96 y 24.
De acuerdo a la tabla de ubicación de pozos los seleccionados por lo números
aleatorios son los que se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 3 Ubicación de pozos seleccionados
Co
nse
cuti
vo
No
mb
re/A
cuíf
ero
Lon
gitu
d
Lati
tud
Elev
ació
n
Pro
fun
did
ad a
l
niv
el e
stát
ico
(m
)
Pro
fun
did
ad t
ota
l
po
zo
18
Jesús Estrada Solís - Agrícola - las palmas 21.13 -101.85 1791.33 17.07
24 San Apolonio - las Palmas 21.12 -101.85 1798.66 25.69
31 Pénjamo - Abasolo 20.64 -101.38
33.92 60
40 Pénjamo - Abasolo 20.51 -101.61
14.82 100
43 Pénjamo - Abasolo 20.47 -101.62
13.26 250
68 Silao - Romita 20.87 -101.52
84.25 200
72 León 20.97 -101.54
39.02 108
81 León 20.95 -101.60
71.15 188
96 Turbio 20.72 -101.82
50.7 120
97 La muralla 20.97 -101.70
135.88 0
49
3.2 Caracterización del pozo más contaminado
3.2.1 Determinación de COT
La determinación del Carbono Orgánico Total (COT) permite evaluar el grado de
mineralización de los contaminantes durante el proceso fotocatalítico. Para ello se ha
empleado un analizador de Carbono Orgánico Total (Shimazdu modelo COT-V
CSH/CSN), equipado con un muestreador modelo ASI-5000ª. Este analizador mide el
Carbono Total (TC) y el Carbono Inorgánico Total (IC) disueltos en agua, la diferencia
entre ambas medidas proporciona el COT.
El análisis del TC se lleva a cabo mediante la combustión de las muestras en un tubo
relleno de un catalizador de platino soportado sobre bolas de alúmina, a una
temperatura de 680ºC. El TC presente en la muestra se oxida dando lugar a CO2 que
es arrastrado por aire de alta pureza (flujo de 150 mL min-1), enfriado y secado
mediante un deshumificador. A continuación, es analizado mediante un detector de
infrarrojos no dispersivo, generando un pico cuya área es proporcional a la cantidad de
carbono presente en la muestra y es integrada por un procesador de datos.
En la medida del IC, la muestra se introduce en un recipiente de reacción en el que se
burbujea aire en presencia de ácido clorhídrico 2N. La descomposición de los
carbonatos y bicarbonatos (IC) presentes genera CO2, que es arrastrado por el aire de
alta pureza y procesado en el detector de infrarrojos no dispersivo, de la misma forma
que el TC. La relación lineal existente entre el área calculada por el procesador de
datos y la concentración correspondiente de TC e IC permite una cuantificación basada
en rectas de calibración internas. Estas rectas se elaboran utilizando disoluciones
estándar preparadas en agua desmineralizada (sistema de Milli-Q), de hidrógeno
biftalato de potasio para el TC (conteniendo unas gotas de ácido sulfúrico para evitar
contaminación atmosférica de CO2) y una disolución de carbonatos en la que la mitad
de los carbonatos procede de carbonato sódico y la otra mitad de bicarbonato sódico
para el IC. Los rangos correspondientes a las cinco rectas de calibración realizadas
para el CT y el CIT respectivamente, son los siguientes: 1-10, 10-50, 50-250, 250-1000
y 1000-2500 mg/L. Para todas ellas los coeficientes de regresión lineal obtenidos son
50
próximos a 1. La comprobación del correcto funcionamiento y calibración del equipo se
llevan a cabo mediante la medida periódica de disoluciones patrón.
COT (mg/L) = TC-IC
Ilustración 13 Analizador de Carbono Orgánico Total.
3.2.2 Caracterización Microbiológica
Se prepararon 3 medios de cultivos el Agar Verde Brillante para determinar Coliformes,
Salmonellas, Enterobacterias y E. coli. El Agar Dextrosa Sabouraud es el medio general
para hongos y el agar soya tripticaseína es el medio general para bacterias.
3.2.2.1 Preparación del Agar Bilis Verde Brillante
Pesar Peptona de gelatina 8.25 g
Lactosa 1.9 g
Agar 10.15 g
Sulfito de sodio 0.205 g
Cloruro férrico 20.5 mg
Fosfato monopotásico 15.3 mg
Eriogluacina 64.9 mg
Fuosina Básica 77.6 mg
Bilis buey 2.95 mg
Verde brillante 29.5 mg
Ajustar pH final 6.9 ±0.2
51
Disolver 6.18 g en 300 ml
3.2.2.2 Agar Soya Tripticaseína
Pesar Peptona caseína 15.0 g
Peptona soya 5.0 g
Cloruro de sodio 5.0 g
Agar 15.0 g
Ajustar pH final 7.3 ± 0.2
Disolver 12 g en 300ml
3.2.2.3 Agar dextrosa Saboraua
Pesar Agar 15.0 g
Dextrosa 40.0 g
Peptona de calaz 5.0 g
Ajustar pH final 5.6 ± 0.2
Disolver 19.5 g en 300 mL
Cada uno de los agares preparados fueron vertidos, aproximadamente 20 mL en cada
una de las cajas Petri, se dejaron atemperar a 25°C se vertieron 250 μL de muestra en
cada caja y se realizaron por triplicado.
3.2.3 Determinación de carbonatos
Procedimiento:
Transferir 100 mL de muestra en un matraz Erlenmeyer de 250 mL.
Adicionar 2 gotas de disolución indicadora de fenolftaleína (pesar
aproximadamente y con precisión 5,0 g de fenolftaleína y disolver en 500 mL de
etanol, añadir 500 mL de agua con agitación constante. Filtrar si hay precipitado).
Titular con la disolución valorada de ácido (0.02 N; diluir 200 mL de ácido
clorhídrico o ácido sulfúrico 0,1 N a 1 L de agua) hasta el vire de la fenolftaleína
(de rosa a incoloro) registrar los mililitros gastados (alcalinidad de la
fenolftaleína). Adicionar dos gotas de la disolución indicadora de naranja de
metilo.
Continuar con la titulación hasta alcanzar el vire del naranja de metilo (de canela
a amarillo), la alcalinidad total.
52
Registrar los volúmenes para ambos puntos finales.
Calcular la alcalinidad, tomando en cuenta el vire de los indicadores.
Cálculos
Calcular la acidez total como CaCO3 en mg/L mediante la siguiente formula [Secretaria
de Economía, Norma. (NMX-AA-036-SCFI-2001)]
Alcalinidad total como CaCO3 en mg/L = AXN /100 (50)(1000)
Dónde:
A es el volumen total gastado de ácido en la titulación al vire del anaranjado de metilo
en mL
N es la normalidad de la disolución del ácido
100 es el volumen de la muestra en mL
50 es el factor para convertir eq/L a mg CaCO3 /L, y
1000 es el factor para convertir mL a L
3.3 Diseño de experimentos
Es importante señalar que hay varios parámetros que gobiernan e influencian la cinética
tanto de los procesos foto-Fenton como de Fotocatálisis empleando TiO2, siendo los
más significativos el pH, concentración de hierro, concentración de catalizador (TiO2) y
concentración de peróxido de hidrógeno. Por lo que en este sentido se desarrolló un
diseño de experimentos utilizando [Fe2+] el nivel alto fue de 1.5 mM, y el nivel bajo de
0.5mM, para ambos procesos la [H2O2] nivel bajo 5 ppm parcial 0.30 mL ó 2 ppm cada
5 min ó 14 ppm total y nivel alto 0.71 mL ó 5 ppm cada 5 min ó 35 ppm totales, [TiO2]
200 mg en 25 mL ó 8 ppm como nivel alto y como bajo 50 mg en 25 L ó 2 ppm, fijando
el volumen en 25 L, el tiempo en 30 min.
53
Utilizando el software Design Expert 8.0 y la metodología de superficie de respuesta
con un diseño central compuesto nos arrojó 20 corridas, 6 puntos al centro, 6 puntos
axiales.
La variable de respuesta evaluada para el diseño de experimento fue el COT por lo que
se robusteció la selección del tratamiento óptimo pero esta vez evaluando más factores
como lo son controles fijos.
3.4 Comprobación de los mejores tratamientos con diferentes variables de
respuesta.
De igual forma se realizó la comprobación de los tratamientos óptimos seleccionados
para evaluar y controlar los demás factores que afectan el proceso, como lo son los
catalizadores, el agente oxidante, el contaminante en este caso la cepa bacteriana E.
faecalis, por lo que en este sentido se realizaron una serie de experimentos utilizando
[Fe2+] 1mM, 0.40mM, 0.16mM , [H2O2] 26 ppm, 14 ppm, 18 ppm, 23 ppm, 8 ppm, 35
ppm, [TiO2] 8 mg/L, 2 mg/L, fijando la concentración bacteriana en 1000 UFC/mL, la
agitación en 100 RPM el pH en 4 para Fenton/foto-Fenton y en Fotocatálisis se trabajó
a pH neutro(7), monitoreando a lo largo del experimento la radiación solar.
3.4.1 Medición de Hierro disuelto (referencia: ISO 6332)
Principio de medición
El ion ferroso forma un complejo coloreado con 1,10 fenantrolina. La absorción de este
complejo medido a 510 nm es proporcional a la concentración de ion ferroso. El hierro
total puede medirse después de la reducción de ion férrico con ácido ascórbico a ion
ferroso por consiguiente la concentración de ion férrico se puede calcular como la
diferencia entre la concentración de hierro total y la del ion ferroso.
54
Reactivos:
1,10 Fenantrolina: 1g/L solución
Buffer de ácido acético: 62.5 g acetato de amonio + 175 mL ácido acético llenar a
250 mL.
Ácido ascórbico: polvo sólido.
Medición:
A) Muestras con bajas concentraciones de hierro:
1.- Prender el espectrofotómetro, fijar la longitud de onda en modo absorción a 510 nm.
2.-Colocar la cubetilla de cuarzo con 2 mL de agua destilada para crear la línea base.
3.-Filtrar la muestra.
4.-Preparación de la muestra: 4mL de muestra filtrada, 1mL 1,10 Fenantrolina +1mL de
ácido acético.
5.-Colocar cada muestra en el espectrofotómetro.
6.-Medir la concentración de ion ferroso a una absorbancia a 510 nm.
7.-Añadir 1-2 cucharadas de ácido ascórbico.
8.-Medir la concentración de hierro total a 510 nm.
B) Muestras con altas concentraciones de hierro:
1.- Prender el espectrofotómetro, fijar la longitud de onda en modo absorción a 510 nm.
2.-Colocar la cubetilla de cuarzo con 2 mL de agua destilada para crear la línea base.
3.-Filtrar la muestra.
4.-Preparación de la muestra: 4mL de muestra filtrada, 1mL 1,10 Fenantrolina +1mL de
ácido acético.
55
5.-Preparación de referencia: 4mL de muestra filtrada, 1 mL de agua destilada +1 mL de
ácido acético.
6.-Medir de muestra en muestra, referencia y referencia en el espectrofotómetro.
7.- Medir la concentración de ion ferroso a una absorbancia a 510 nm.
8.-Añadir 1-2 cucharadas de ácido ascórbico.
9.-Medir la concentración de hierro total a 510 nm.
EVALUACIÓN (0.25-10 mg/L Fe):
[Fe] = (7.15*Abs-0.036)*factor de dilución [mg/L]
En caso de cualquier dilución aplicada tomar en cuenta el factor de dilución.
Factor de dilución = 4mL / cantidad de la muestra sin diluir.
(e.g. 0.4 mL de muestra + 3.6 mL de agua destilada + 1mL 1,10 fenantrolina+ 1 mL de
ácido acético el factor de dilución es 10).
El equipo utilizado para la medición de Hierro es un espectrofotómetro UV/VIS ATI
UNICAM II y se muestra en la siguiente fotografía.
Ilustración 14 Espectrofotómetro UV/VIS ATI UNICAM II
56
3.4.2 Medición de Peróxido.
La determinación colorimétrica del peróxido de hidrogeno se llevó a cabo mediante
espectrofotometría con el reactivo oxysulfato de titanio (IV) (Riedel de Haën, Alemania)
de acuerdo al método DIN 38402H15.
Reactivos:
TiOSO4 (oxysulfato de titanio (IV))
Medición:
1.-Preparación de la muestra: 5mL de muestra + 0.5 mL de TiOSO4
2.- Medir la concentración de peróxido de hidrógeno a una longitud de onda de 410 nM.
[H2O2]= 53.16 * Abs – 0.2135
3.4.3 Unidades Formadoras de Colonias
Recuento en placas
Se utilizaron cajas de 20 mL de medio Agar LB con diferentes volúmenes de muestra
entre ellos 50μL, 250μL y 500μL para el conteo de colonias; el límite de detección en
esta metodología es de 2 UFC/mL, se incubaron las placas con la muestra por 24 hrs a
37°C para su posterior conteo. La siguiente formula muestra el cálculo de conteo para
UFC/mL.
UFC/mL= colonias contadas/microlitros de la muestra*1000 (factor de conversión a
mililitros)
57
Ilustración 15 Incubación de placas por 24 hrs a 37°C.
3.4.4 influencia del pH en los proceso foto-Fenton y Fotocatálisis
3.4.4.1 PH en el proceso foto-Fenton
El pH es un factor que influye en la eficiencia del proceso foto-Fenton debido a sus
inconvenientes tales como la generación del radical hidroxilo producido en cantidades
estequiometrias de Fe3+ y pueden precipitar en forma de oxihidroxidos férricos cuando
el pH varia de fuertemente acido a neutro. El pH óptimo para evitar la precipitación es
2,8 [Tang y Huang, 1996, Kwon y Cols.,(1999) ].Los complejos de Fe3+ que se suelen
formar en solución acida son Fe(OH)2+ y Fe2+(OH)24+, que se absorben por luz UV y
visible.
Estos complejos sufren fotoreducción para dar lugar a radicales hidroxilo y Fe2+. La
especie más importante es el complejo Fe(OH)2+ debido a la combinación entre su alto
coeficiente de absorción y su alta concentración relativa con respecto a otras especies
de Fe3+.
58
Ilustración 16 Diagrama de equilibrio pH-Potencial del hierro-agua a 25 °C
3.4.4.2 PH en Fotocatálisis
El punto de carga nula de este TiO2 es 6,8 + 0,2 lo que quiere decir que a pH 7 los
agregados de TIO2 presentan carga neta superficial negativa y tanto mayor cuanto más
elevado sea el pH del medio, de forma inversa, a pH menor a 7 el catalizador forma el
agregados de partículas de mayor carga neta superficial positiva cuanto más acido sea
el medio [Fernandez-Ibañez y Cols., Tesis (2013)].
Ilustración 17 Diagrama de pourbaix del Titanio en agua pura, ácido perclórico e hidróxido de sodio.
59
En la ilustración 18 se puede observar el pH metro (multi720, WTW, Alemania) utilizado
en los experimentos esto para controlar el factor pH, esterilizado previamente para
evitar cualquier contaminación biológica que se encontrara dentro del laboratorio de
biología.
Ilustración 18 pH-metro
3.4.5 Radiación solar
El parámetro utilizado para medir la radiación solar es el QUV esta magnitud estima la
energía acumulada en el reactor por unidad de volumen de agua tratada en el tiempo
durante el cual se realiza la experimentación. La radiación solar UV se mide con un
piranometro proporcionando datos en términos de WUV/m2 incidente para longitudes de
onda de 300 a 400 nm montado sobre una plataforma en posición horizontal.
El parámetro QUV permite evaluar y comparar resultados de experimentos llevados a
cabo en diferentes días con diferentes condiciones meteorológicas, se calcula sobre la
siguiente ecuación:
QUV=∑ 𝑈𝑉𝑛−1𝑉𝑡
𝐴𝑟𝑛 (𝑡𝑛−𝑡𝑛−1)
60
Dónde:
tn es el tiempo experimental para la muestra n,
UVn-1 es la media de la irradiada UV-A solar
(tn - tn-1) periodo de tiempo
Ar es la superficie iluminada del captador solar y
Vt es el volumen total del reactor.
Cuando se utiliza el parámetro de Quv, la velocidad de reacción de desinfección se
expresa en términos de descenso de concentración de esporas (expresada en UFC)por
cantidad de energía UV-A (en J ó kJ) que alcanza la superficie del captador durante el
tratamiento [Fernandez-Ibanez y Cols.,Journal of Colloid and Interface Science. (2000)].
3.5 Metodología llevada a cabo en la experimentación para la obtención de
tratamientos óptimos con mayor control de variables.
3.5.1 Preparación de medios de cultivo
3.5.1.1 Preparación de agar para Enterococcus (LB solido)
Disolver 40 g de Luria Agar en 1L de agua destilada
Esterilizar en autoclave a 121°C por 15 minutos.
Dejar a temperatura ambiente para enfriar el medio
Vaciar a las cajas Petri aproximadamente 20 mL
Cerrar y colocar en bolsas de plástico
Guardar en frio
3.5.1.2 Preparación de medio para Enterococcus (LB líquido)
Suspender 20 g de Lennox Broth en 1 L de agua destilada
Esterilizar en autoclave a 121°C por 15 min
Dejar enfría a Temperatura ambiente
Guardar en el frio.
3.5.1.3 Preparación de PBS (Phosphate Buffered Saline)
61
Añadir 1 tableta de PBS en 100mL de agua destilada
Esterilizar en autoclave a 115 ° C durante 10 min.
Dejar enfriar
Guardar en frigo.
3.5.2 Preparación del inoculo
Medir 14 mL de LB en un tubo de 15 mL
Vaciar los 14 mL en un vaso previamente esterilizado
Coger 2 colonias E. faecalis con una asa y homogeneizar en el medio
Colocar en la incubadora a 37°C por 24 horas
Vaciar el contenido en un tubo estéril de 15 mL
Centrifugar a 3000 RPM durante 10min
Vaciar el sobrenadante
Suspender el inoculo con 14 mL de PBS
3.5.3 Pesar catalizadores
En estos experimentos experimentaron concentraciones de Fe2+ de 1mM, 0.08
mM, 0.40 mM y 0.16 mM, el caso del TiO2 las concentraciones fueron 2mg/L y 8mg/L.
3.5.4 Preparación del Peróxido
Preparar las diluciones necesarias para la concentración requerida utilizando una
solución madre de 350 000 mg/L.
3.5.5 Preparación de Catalaza
Pesar 10mg de Catalaza
62
Añadir 100 mL de agua Milli-Q (previamente esterilizada en autoclave a 121 °C
por 15 min)
Agitar a 100 RPM.
3.5.6 Preparación de agua simulada de una salida de depuradora de aguas
residuales (EDAR)
El agua simulada de efluente de depuradora se utilizó como modelo de efluente real
con una concentración de carbono orgánico disuelto de 25mg/L.
Esta agua contiene 96mg/L de NaHCO3, 7 mg/L de NaCl, 60 mg/L de CaSO4 .2H2O,
6mg/L de Urea, 60mg/L de MgSO4, 4mg/L KCl, 28 mg/L de K2HPO4, 4mg/L de
CaCl2.H2O, 32 mg/L de peptona, 2 mg/L de MgSO4 .7H2O y 22 mg/L de extracto de
carne [Klamert y Cols., Water Research. (2010)]
Pesar todos los reactivos
Vaciarlos en 1 L de agua estéril
Agitar por 24 horas
3.5.7 Preparación de los reactores discontinuos
Vaciar 200mL de agua simulada
Colocar los reactores en plancha de agitación a 100 RPM
Ajustar pH según proceso (pH 4 foto-Fenton y pH 7 Fotocatálisis)
Añadir el Hierro
Añadir Peróxido
Dejar agitando por 5 min
Tomar muestra T0 (pruebas microbiológicas, para determinar Hierro, Peróxido,
COT)
Dependiendo del proceso si es solar o en oscuridad.
Exponer los reactores al sol y tomar las muestras correspondientes
Capítulo 4 Resultados
63
4.1 Caracterización de pozos de abastecimiento de agua.
La caracterización del muestreo realizado en las fuentes de abastecimiento demostró
que los pozos a los que se extrae el agua a más de 150 m de profundidad contienen
solo 2 mg/L de COT, por lo que se decidió ya no seguir muestreando los pozos que
tuvieran características similares. El pozo de trabajo se eligió debido a que se
encuentra debajo de una granja con ganado vacuno y porcino en el cual la probabilidad
de infiltración de los deshechos de estos animales hacia el acuífero es alta, además se
encuentra a 50 m del Rio Turbio en el que se descargan las aguas contaminadas por la
industria tanto de León como San Francisco, de tal forma que es altamente probable
que este contaminado por estas. Las siguientes fotos muestran el pozo de extracción
debajo de la granja así como el cauce del Rio Turbio.
Ilustración 19 a) Pozo de extracción
64
Ilustración 20 b) Cauce del Rio Turbio
La caracterización del pozo nos arrojó que contenía 108.1 mg/L de carbono orgánico
total, del mismo modo se realizaron pruebas microbiológicas mostrando las 130
UFC/mL de bacterias totales, 20 UFC/mL hongos totales, 30 UFC/mL coliformes
totales, también se llevó a cabo la prueba de carbonatos la cual mostró una
concentración de 56 mg/L, esta última se realizó para descartar la dureza del agua por
presencia de carbonatos.
A continuación se muestran las combinaciones de los factores que intervienen en el
proceso.
65
Tabla 4 Diseño de experimentos del proceso foto-Fenton.
Corrida [pH] [Fe2+ mM] [H2O2 ppm]
1 3 1.5 35
2 4 0.16 26
3 4 1 26
4 5 0.5 35
5 4 1.84 35
6 3 1.5 14
7 4 1 26
8 5 1.5 35
9 4 1 26
10 4 1 42
11 4 1 26
12 3 0.5 14
13 4 1 26
14 5 1.5 14
15 3 0.5 35
16 5.68 1 26
17 2.32 1 26
18 4 1 26
19 5 0.5 14
20 4 1 7
66
Tabla 5 Diseño de experimentos del proceso Fotocatálisis
Corrida [pH] [TiO2 mg/L] [H2O2 ppm]
1 5 5 26
2 7 2 35
3 5 5 26
4 7 2 14
5 5 5 26
6 7.5 5 26
7 5 5 26
8 5 1 26
9 5 5 26
10 5 5 26
11 3 8 14
12 3 2 14
13 5 10 26
14 3 8 35
15 5 5 7
16 5 5 42
17 3 2 35
18 7 8 14
19 7 8 35
20 1.64 5 26
Los experimentos se realizaron en un fotoreactor tipo CPC localizado en las
instalaciones de CIATEC ubicado en calle Omega 201 Col. Industrial Delta en León,
Guanajuato, México tal como se muestra en la siguiente fotografía.
Ilustración 21 Fotoreactor localizado en las instalaciones de CIATEC
67
4.2 Resultados de los experimentos foto-Fenton
Para la interpretación de los resultados del proceso foto-Fenton se agruparon las
corridas por pH.
4.2.1 Graficas de resultados del proceso foto-Fenton agrupados por pH
En las siguientes tablas se pueden apreciar los resultados obtenidos en el proceso foto-
Fenton, ayudándonos visualmente con la gráfica.
Agrupación a pH 3
Tabla 6 Corrida 1
pH3 Fe 1.5 mM H2O2 35 ppm
Corrida 1
Tiempo (min)
COT (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 0.7928 107.3072 99.2666
10 0.5638 107.5362 99.4784
15 0.5031 107.5969 99.5346
20 0.4023 107.6977 99.6278
25 0.3745 107.7255 99.6536
30 0.4053 107.6947 99.6251
La corrida 1 se realizó a un pH 3, con una concentración de Hierro de 1.5 mM y con
adición constante de peróxido hasta llegar a 35 ppm, como se puede observar la
mineralización ocurre a los 30 min con un 99.6251 % de remoción de COT.
68
Tabla 7 Corrida 6
pH 3 Fe 1.5 mM H2O2 14 ppm
Corrida 6
Tiempo (min)
COT (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 2.13 105.97 98.0296
10 1.817 106.283 98.3191
15 1.499 106.601 98.6133
20 1.836 106.264 98.3016
25 1.552 106.548 98.5643
30 1.597 106.503 98.5227
La corrida 6 se realizó a pH 3, con 1.5 mM de sales ferrosas y 14 ppm de H2O2
obteniendo el 98.5227 % de remoción de COT en 30 min.
Tabla 8 Corrida 12
pH 3 Fe 0.5 mM H2O2 14 ppm
Corrida 12
Tiempo (min)
COT (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 1.791 106.309 98.3432
10 1.824 106.276 98.3127
15 1.678 106.422 98.4477
20 1.585 106.515 98.5338
25 1.469 106.631 98.6411
30 1.594 106.506 98.5254
En la doceava corrida se mezcló 0.5 mM de Fe2+ y 14 ppm de Peróxido removiendo el
98.5254 % de COT en media hora.
69
Tabla 9 Corrida 15
pH 3 Fe 0.5 mM H2O2 35 ppm
Corrida 15
Tiempo (min)
COT (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 1.965 106.135 98.1822
10 2.096 106.004 98.0611
15 1.977 106.123 98.1711
20 1.836 106.264 98.3016
25 2.254 105.846 97.9149
30 1.932 106.168 98.2128
La quinceava corrida se mezclaron 0.5 mM de Fe2+ y 35 ppm de H2O2 removiendo
98.2128% de COT en 30 min.
La siguiente grafica muestra que cualquier combinación de las concentraciones, a un
tiempo de 30 min se obtiene una degradación por encima del 98%.
Ilustración 22 Comparación de tratamientos con el proceso foto-Fenton a pH 3
0 5 10 15 20 25 300
20
40
60
80
100
pH 3
Tiempo (min)
TO
C (
mg
/L)
1.5 mM de sulfato ferroso, 5 ppm de peroxido de hidrogeno
1.5 mM de sulfato ferroso, 2 ppm de peroxido de hidrogeno
0.5 mM de sulfato ferroso, 2 ppm de peroxido de hidrogeno
0.5 mM de sulfato ferroso, 5 ppm de peroxido de hidrogeno
70
Se observa que el 98 % de la mineralización en las cuatro combinaciones de
concentraciones del catalizador y el agente oxidante ocurre en los primeros 5 min, por
lo que se continuo el monitoreo hasta la media hora pero la mineralización se mantuvo
constante.
De igual forma los tratamientos realizados a pH 4 se agruparon los resultados y se
muestran a continuación.
Tabla 10 Corrida 2
pH 4 Fe 0.16 mM H2O2 26 ppm
Corrida 2
Tiempo (min)
COT (mg/L) Degradación en (mg/l) (Co-Ct/Co)*100
0 108.1 0
5 1.087 107.013 98.9944
10 0.6669 107.4331 99.3831
15 0.6278 107.4722 99.4192
20 0.6799 107.4201 99.3710
25 0.4966 107.6034 99.5406
30 0.6431 107.4569 99.4051
La segunda corrida fue hecha a pH 4, a 0.16 mM de Fe2+ y 26 ppm de H2O2 en la cual
se obtuvo una degradación del 99.4051% en 30 min.
Tabla 11 Corrida 3
pH 4 Fe 1 mM H2O2 26 ppm
Corrida 3
Tiempo (min) COT (mg/L) Degradación en (mg/l) (Co-Ct/Co)*100
0 108.1 0
5 0.9313 107.1687 99.1385
10 0.9228 107.1772 99.1463
15 0.7034 107.3966 99.3493
20 0.7207 107.3793 99.3333
25 0.7262 107.3738 99.3282
30 0.521 107.579 99.5180
La corrida se realizó a pH 4, con 1 mM de sales ferrosas y un total de 35 ppm de H2O2
obteniendo 99.51 % de degradación de COT en un tiempo de 30 minutos.
71
Tabla 12 Corrida 5
pH 4 Fe 1.84mM H2O2 35 ppm
Corrida 5
Tiempo (min)
COT (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 2.489 105.611 97.6975
10 2.4 105.7 97.7798
15 1.958 106.142 98.1887
20 2.1 106 98.0574
25 2.568 105.532 97.6244
30 2.055 106.045 98.0990
La quinta corrida fue hecha a pH 4, con 1.84 mM de Fe2+ con 35 ppm de peróxido de
hidrogeno y se obtuvo una degradación del 98.09 % en media hora.
Tabla 13 Corrida 20
pH 4 Fe 1 mM H2O2 7 ppm
Corrida 20
Tiempo (min)
COT (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 36.05 74.75124884 66.6512
10 32.24 78.27576318 70.1758
15 28.49 81.74477336 73.6448
20 19.78 89.80212766 81.7021
25 16.25 93.06762257 84.9676
30 18.03 91.42099907 83.3210
La corrida número 20 a pH 4 se le añadieron 1 mM de Hierro y 7 ppm de H2O2,
degradando 83.320 % en 30 minutos.
72
Ilustración 23 Comparación de tratamientos foto-Fenton a pH 4
La grafica muestra las corridas a pH 4 en las cuales cualquier combinación en las
concentraciones de sales ferrosas y peróxido de hidrogeno degradan arriba del 98 % en
cinco minutos de tratamiento.
Las corridas realizadas a pH 5 se agruparon para comprender mejor los resultados de
los tratamientos, como se muestran a continuación:
Tabla 14 Corrida 4
pH 5 Fe 0.5 mM H2O2 35 ppm
Corrida 4
Tiempo (min)
COT (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 1.482 106.618 98.6290
10 1.28 106.82 98.8159
15 1.149 106.951 98.9371
20 1.176 106.924 98.9121
25 1.028 107.072 99.0490
30 1.084 107.016 98.9972
La corrida cuatro conlleva un pH 5, con 0.5 mM de Fe2+ combinado con 35 ppm de
peróxido de hidrogeno degradando el 98.99% de COT en 30 min.
0 5 10 15 20 25 300
20
40
60
80
100
Tiempo (min)
TO
C (
mg
/L)
pH 4
0.16 mM de sulfato ferroso, 3.7 ppm de peroxido de hidrogeno
1 mM de sulfato ferroso, 3.7 ppm de peroxido de hidrogeno
1.8 mM de sulfato ferroso, 3.7 ppm de peroxido de hidrogeno
1 mM de sulfato ferroso, 0.85 ppm de peroxido de hidrogeno
73
Tabla 15 Corrida 8
pH 5 Fe 1.5 mM H2O2 35 ppm
Corrida 8
Tiempo (min)
COT (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 1.362 106.738 98.7401
10 0.9611 107.1389 99.1109
15 0.9125 107.1875 99.1559
20 0.8332 107.2668 99.2292
25 0.9382 107.1618 99.1321
30 0.8606 107.2394 99.2039
En la corrida 8 se mezclaron 1.5 mM de sales ferrosas más un total de 35 ppm de H2O2
a un pH 5 obteniendo el 99.20 % de degradación de TOC.
Tabla 16 Corrida 14
pH 5 Fe 1.5 mM H2O2 14 ppm
Corrida 14
Tiempo (min)
COT (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 0.8925 107.2075 99.1744
10 0.9406 107.1594 99.1299
15 0.7073 107.3927 99.3457
20 0.72 107.38 99.3340
25 0.6859 107.4141 99.3655
30 0.4764 107.6236 99.5593
La corrida 14 muestra la combinación de 1.5 mM de Fe2+ y 14 pm de H2O2 en un pH 5
degradando 99.55 % de COT en media hora.
74
Tabla 17 Corrida 16
pH 5.68 Fe 1 mM H2O2 26 ppm
Corrida 16
Tiempo (min)
COT (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 1.478 106.7327475 98.63274746
10 1.134 107.0509713 98.95097132
15 1.16 107.0269195 98.92691952
20 1.118 107.0657724 98.96577243
25 1.861 106.3784459 98.27844588
30 2.001 106.2489362 98.14893617
En esta corrida se experimentó con un punto axial en el cual el pH fue de 5.68 para
tomar un valor más allá de los establecidos aquí se mezclaron 1 mM de Fe2+ y 26 ppm
de H2O2, para lo cual se degradaron 98.14 % de COT.
Tabla 18 Corrida 19
pH 5 Fe 0.5 mM H2O2 14 ppm
Corrida 19
Tiempo (min)
COT (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 10.96 97.96123959 89.8612
10 5.495 103.0167438 94.9167
15 3.48 104.8807586 96.7808
20 2.984 105.339593 97.2396
25 3.801 104.5838113 96.4838
30 2.964 105.3580944 97.2581
La corrida 19 muestra la combinación de 14 ppm de peróxido de hidrogeno y 0.5 mM de
Fe2+ en un pH de 5.
75
Ilustración 24 Comparación de tratamientos en el proceso foto-Fenton a pH 5
A pH 5 se observó que todas las combinaciones de los tratamientos degradan por
arriba de 98 % de COT en media hora, se puede observar en la ilustración que solo uno
necesito más tiempo para lograr esa degradación ya que es la menor concentración de
sales ferrosas y peróxido de hidrogeno, sin embrago, el porcentaje es similar a los
demás tratamientos.
4.2.2 Análisis de los factores que afectan el proceso foto-Fenton
Se analizaron los factores principales Hierro, Peróxido y pH así como sus interacciones
Fe2+ vs H2O2, Fe2+ vs pH y H2O2 vs pH para determinar si influían en el proceso, a
continuación se muestran los resultados.
Factor principal pH
El factor pH por sí solo no muestra afectación alguna al proceso, la gráfica nos indica
que el nivel de mineralización se mantiene a cualquier pH sin embargo nos arroja una
advertencia ya que las interacciones tanto con el catalizador como con el agente
oxidante tienen influencia significativa en el proceso.
0 5 10 15 20 25 300
20
40
60
80
100
120
Tiempo (min)
TO
C (
mg
/L)
pH 5
0.5 mM de sulfato ferroso, 5 ppm de peroxido de hidrogeno
1.5 mM de sulfato ferroso, 5 ppm de peroxido de hidrogeno
1.5 mM de sulfato ferroso, 2 ppm de peroxido de hidrogeno
1 mM de sulfato ferroso, 3.7 ppm de peroxido de hidrogeno
0.5 mM de sulfato ferroso, 2 ppm de peroxido de hidrogeno
76
Ilustración 25 Factor principal pH
Factor principal Peróxido de Hidrogeno
El agente oxidante es parte fundamental del proceso como se muestra en la grafica, la
adición constante del mismo causa que la mineralizacion se complete hasta el punto
central (0.50 mL o 3.7 ppm parcial o 26 ppm total) por lo que no es necesario llegar al
nivel alto (0.70 mL o 5 ppm parcial o 35 ppm total).
Ilustración 26 Factor principal H2O2
Factor principal Fe2+
El hierro es parte importante del proceso ya que interactua con el agente oxidante, en si
la grafica muestra que la concentración no es un factor tan importante ya que aunque
se aumente o disminuya la mineralización es constante.
77
Ilustración 27 Factor principal Fe2+
Interacciones H2O2 vs pH
La interacción entre los factores principales en este caso el peroxido y el pH
demuestran que son los puntos centrales los que representan la mayor degradación,
por lo que se comprueba que la relación entre ambas variables aumenta o disminuye la
mineralización de la materia organica.
Ilustración 28 Interaccion pH vs Fe2+
Interacción Fe2+ vs pH
78
En articulos relaciónados con el proceso Fenton se ha demostrado que la mayor
mineralización ocurre cuando el factor pH se encuentra en 2.8 y en la siguiente grafica
se confirma, ya que la mineralización al 100 % se encuentra a pH menor de 3 y a
diferentes concentraciones de Hierro.
Ilustración 29 Interacción Fe2+ vs pH
Grafica de interaccion Fe2+ vs H2O2
Anteriormente se ha comentado que la concentración de hierro no es significativa sin
embargo se observa que la adición constante del agente oxidante es lo que origina la
reacción fenton ya que se regenera y continua la reacción, a mayor agente oxidante
mayor porcentaje de mineralización.
Ilustración 30 interacciones Fe2+ vs H2O2
79
El programa Desing Expert 8.0 arrojo ciertas combinaciones de las cuales se puede
elegir el tratamiento mas conveniente en base a ahorros economicos o cumplimiento de
normatividad en descargas o reuso del agua.
En este caso se eligió la opción numero 4, un pH de 4, la concentración de hierro de 1
mM y 50 mL de peróxido o 3.7 ppm, de igual forma se muestran los diferentes
tramientos posibles no descartando las concentraciones minimas en la opción número
1, tanto del catalizador 0.50 mM y el agente oxidante 0.29 mL o 2 ppm.
80
Numero de solucion pH* H2O2 Fe2* Deseabilidad
1 5.00 0.29 0.50 1.000
2 3.00 0.29 0.50 1.000
3 3.00 0.29 1.50 1.000
4 4.00 0.50 1.00 1.000 Selected
5 3.00 0.71 1.50 1.000
6 3.00 0.71 0.50 1.000
7 5.00 0.71 1.50 1.000
8 5.00 0.71 0.50 1.000
9 5.00 0.29 1.50 1.000
10 4.90 0.37 0.78 1.000
11 3.56 0.54 1.45 1.000
12 4.20 0.62 1.27 1.000
13 4.32 0.34 0.91 1.000
14 3.32 0.30 0.51 1.000
15 3.48 0.46 1.37 1.000
16 3.38 0.61 0.71 1.000
17 4.88 0.62 0.91 1.000
18 3.23 0.43 1.08 1.000
19 4.14 0.37 0.63 1.000
20 3.82 0.54 0.83 1.000
21 4.14 0.37 0.94 1.000
22 3.10 0.64 0.83 1.000
23 4.65 0.37 1.10 1.000
24 4.45 0.66 1.03 1.000
25 3.53 0.56 1.49 1.000
26 3.62 0.49 1.37 1.000
27 4.79 0.47 0.61 1.000
28 4.90 0.58 1.28 1.000
29 3.60 0.49 1.20 1.000
30 4.85 0.69 1.44 1.000
31 3.69 0.54 0.82 1.000
32 4.77 0.33 0.67 1.000
33 4.51 0.63 0.83 1.000
34 4.71 0.51 0.90 1.000
35 3.08 0.68 0.93 1.000
36 4.82 0.40 0.88 1.000
37 3.74 0.59 1.21 1.000
38 4.35 0.45 0.60 1.000
39 3.67 0.63 0.69 1.000
Deseabilidad
La predicción de deseabilidad mientras mas cercana se encuentre a 1 el nivel de
mineralización se acerca al 100 %, el tratamiento elegido fue el mas cercano, como se
muestra en la sigueinte grafica:
81
Ilustración 31 Deseabilidad
Contornos
La grafica de contornos muestra el efecto del peroxido, pH y el Fe2+, al realizar el
analisis manteniendo fija la concentración de hierro y variar el pH y el agente oxidante
nos percatamos que no era necesario aumentar la concentración de H2O2 debido a que
la mineralización llega a un 99% con los puntos centrales.
Ilustración 32 Contornos
4.2.3 Superficie de Respuesta en 3D
El mejor tratamiento se muestra en la gráfica llegando a un 99% de mineralización a un
pH 4, 1mM de Fe2+ y 0.50 mL o 3.7 ppm de H2O2 cada 5 min hasta llegar a 26 ppm.
82
Ilustración 33 Superficie de respuesta 3D
4.2.4 Ecuacion Final
Mineralizacion = + 230.06951 - 74.85118 * pH -257.66657 * H2O2 + 14.19828 * Fe2+
+166.51742 * pH *H2O2 - 11.68222 * pH * Fe2+ + 15.90619 * H2O2 * Fe 2++ 9.19916*
( pH)2 - 73.60935 * (H2O2)2 + 2.03340 * (Fe2+)2 - 4.17905 * pH * H2O2 * Fe2+ - 21.01674
* (pH)2 * H2O2 + 1.75576 * (pH)2 * Fe2+ + 6.14849 * pH *( H2O2)2
4.2.5 Comprobación del modelo matemático
Mineralización= 230.06951 - 74.85118 * ( pH 3) - 257.66657 * (H2O2 0.71 mL) +
14.19828 * (Fe2+ 0.5 mM) + 166.51742 * (pH 3) *( H2O2 0.71 mL) - 11.68222 * (pH 3) *
(Fe2+ 0.5 mM) + 15.90619 * (H2O2 0.71 mL ) *(Fe2+ 0.5 mM) + 9.19916 * ( pH 3)^2 -
73.60935 * (H2O2 0.71 mL) ^2 + 2.0334 * (Fe2+ 0.5 mM)^2 - 4.17905 * (pH 3) * (H2O2
0.71 mL) * (Fe2+ 0.5 mM) - 21.01674 * (pH 3)^2 * (H2O2 0.71 mL) + 1.75576 * (pH 3)^2
* (Fe2+ 0.5 mM) + 6.14849 *( pH 3) * (H2O2 0.71 mL)^2.
Mineralización= 230.06951 - 74.85118 *(pH 4) - 257.66657 * (H2O2 0.5 mL) +14.19828
* (Fe2+ 1 mM) + 166.51742 * (pH 4) *( H2O2 0.5 mL) - 11.68222 * (pH 4) * (Fe2+ 1 mM) +
15.90619 * (H2O2 0.5 mL) *( Fe2+ 1 mM) + 9.19916 *( pH 4)^2 - 73.60935 * (H2O2 0.5
mL)^2 + 2.0334 * (Fe2+ 1 mM)^2 - 4.17905 * (pH 4) * (H2O2 0.5 mL) * (Fe2+ 1 mM) -
83
21.01674 * (pH 4)^2 * (H2O2 0.5 mL) + 1.75576 * (pH 4)^2 * (Fe2+ 1 mM) + 6.14849 *(
pH 4) * (H2O2 0.5 mL)^2.
Mineralización= 230.06951 - 74.85118 *( pH 5) -257.66657 * (H2O2 0.71 mL)
+14.19828 * (Fe2+ 1.5 mM) + 166.51742 * (pH 5) *( H2O2 0.71 mL) - 11.68222 * (pH 5) *
(Fe2+ 1.5 mM) + 15.90619 * (H2O2 0.71 mL) *( Fe2+ 1.5 mM) + 9.19916 *( pH 5)^2 -
73.60935 * (H2O2 0.71 mL)^2 + 2.0334 * (Fe2+ 1.5 mM)^2 - 4.17905 * (pH 5) * (H2O2
0.71 mL) * (Fe2+ 1.5 mM) - 21.01674 * (pH 5)^2 * (H2O2 0.71 mL) + 1.75576 * (pH 5)^2
* (Fe2+ 1.5 mM) + 6.14849 *( pH 5) * (H2O2 0.71 mL)^2.
Tabla 19 Resultados de la comprobación del modelo matemático del proceso foto-Fenton
pH Fe2+ (mM) H2O2 Mineralización
3 0.5
0.29 mL o 2 ppm parcial, 14 ppm total 97.43587719
4 1
0.50 mL o 3.7 ppm parcial, 26 ppm total 98.8550925 optimo
5 1.5 0.71 mL o 5 ppm parcial, 35
ppm total 98.11341811
4.3 Resultados de los experimentos Fotocatálisis
En las siguientes tablas se muestran los resultados obtenidos de las corridas
experimentales en el proceso fotocatalítico con TiO2:
84
4.3.1 Graficas del proceso fotocatalítico con TiO2 agrupado por pH
Se muestran a continuación los resultados de los experimentos realizados a pH 3:
Tabla 20 Corrida 11
pH 3 TiO2 8 mg/L H2O2 2 ppm
Corrida 11
Tiempo (min)
TOC (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 2.228 106.0389454 97.9389
10 2.123 106.1360777 98.0361
15 2.327 105.9473636 97.8474
20 2.946 105.3747456 97.2747
25 4.061 104.3432932 96.2433
30 2.637 105.660592 97.5606
La corrida 11 realizado a pH 3 con adición de 2 ppm de H2O2 y 8 mg/L de TiO2 degrado
97.56 % de COT en 30 min.
Tabla 21 Corrida 14
pH 3 TiO2 8 mg/L H2O2 5 ppm
Corrida 14
Tiempo (min)
TOC (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 1.988 106.2609621 98.1610
10 1.511 106.7022202 98.6022
15 2.741 105.5643848 97.4644
20 1.483 106.7281221 98.6281
25 1.532 106.6827937 98.5828
30 1.435 106.7725254 98.6725
En esta corrida se muestra la mezcla de 8 mg/L de TiO2 y 5 ppm de H2O2 obteniendo
una degradación de 98.67 % de TOC en media hora.
Tabla 22 Corrida 17
85
pH 3 TiO2 2 mg/L
H2O2 5 ppm
Corrida 17
Tiempo (min)
TOC (mg/L)
Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 3.009 105.3164662 97.2165
10 3.49 104.8715079 96.7715
15 4.706 103.7466235 95.6466
20 0.5868 107.5571693 99.4572
25 2.786 105.5227567 97.4228
30 2.57 105.7225717 97.6226
La corrida número 17 se realizó a pH 3 con 2 mg/L de TiO2 más 5 pm de H2O2
degradando 97.62 % de TOC en 30 min.
Ilustración 34 Comparación de tratamientos Fotocatalíticos con TiO2 a pH 3
A pH 3 cualquier combinación de los factores que influyen en el proceso tiene como
resultado la degradación de la materia orgánica hasta en un 98 %.
La agrupación se hizo a pH 5 para comprender mejor los resultados:
Tabla 23 Corrida 1
0 5 10 15 20 25 300
20
40
60
80
100
120
pH 3
Tiempo (min)
TO
C (m
g/L
)
8 ppm de dioxido de titanio, 2 ppm de peroxido de hidrogeno
2 ppm de dioxido de titanio, 5 ppm de peroxido de hidrogeno
8 ppm de dioxido de titanio, 5 ppm de peroxido de hidrogeno
86
pH 5 TiO2 5 mg/L
H2O2 3.7 ppm
Corrida 1
Tiempo (min)
TOC (mg/L)
Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 26.97 83.15087882 75.0509
10 20.42 89.21008326 81.1101
15 15.52 93.74292322 85.6429
20 15.67 93.60416281 85.5042
25 19.79 89.79287697 81.6929
30 13.7 95.42654949 87.3265
La corrida 1 se realizó a pH 5 con 5 mg/L de TiO2 y con adición constante de peróxido a
3.7 ppm y se obtuvo una degradación de 87.32 % de TOC.
Tabla 24 Corrida 8
pH 5 TiO2 1 mg/L
H2O2 3.7 ppm
Corrida 8
Tiempo (min)
TOC (mg/L)
Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 15.23 94.01119334 85.9112
10 13.37 95.73182239 87.6318
15 12.53 96.50888067 88.4089
20 12.21 96.80490287 88.7049
25 12.09 96.91591119 88.8159
30 12.06 96.94366327 88.8437
En la octava corrida se trabajó a pH 5 mezclando 3.7 ppm de H2O2 y 1 mg/L de TiO2
degradando 88.84 % de TOC en 30 min.
Tabla 25 Corrida 13
87
pH 5 TiO2 10 mg/L H2O2 3.7 ppm
Corrida 13
Tiempo (min)
TOC (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 52.39 59.63561517 51.5356
10 41.23 69.95938945 61.8594
15 40.39 70.73644773 62.6364
20 34.96 75.75957447 67.6596
25 35.08 75.64856614 67.5486
30 22.83 86.98066605 78.8807
En esta corrida se usaron concentraciones de 10 mg/L de TiO2 y 3.7 ppm de H2O2
degradando 78.88 % de COT en 30 min.
Tabla 26 Corrida 15
pH 5 TiO2 5 mg/L H2O2 1 ppm
Corrida 15
Tiempo (min)
TOC (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 9.429 99.37752081 91.2775
10 7.079 101.5514339 93.4514
15 4.037 104.3654949 96.2655
20 6.417 102.1638298 94.0638
25 5.338 103.1619796 95.0620
30 0.7859 107.372988 99.2730
La quinceava corrida se realizó adicionando 1 ppm de H2O2 y 5mg/L de dióxido de
titanio, se logró degradar 99.27 % de COT en media hora.
Tabla 27 Corrida 16
88
pH 5 TiO2 5 mg/L H2O2 6 ppm
Corrida 16
Tiempo (min)
TOC (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 3.531 105.6106383 97.5106
10 2.691 106.0037928 97.9038
15 2.266 106.2711378 98.1711
20 1.977 105.1249769 97.0250
25 3.216 106.0972248 97.9972
30 2.165 106.0972248 97.9972
La corrida número 16 se degrado el 97.99% de COT adicionando 6 ppm de H2O2 y 5
mg/L de TiO2 en 30 min.
Ilustración 35 Comparación de tratamientos Fotocatalíticos con TiO2 a Grafica pH 5
A pH 5 hubo gran variación en cuanto al porcentaje de degradación el que obtuvo la
menor degradación el de 250 mg en 25 mL o 10 ppm de TiO2 adicionando 0.50 mL o
3.7 ppm parciales o 26 ppm totales de H2O2, el de mayor degradación fue el tratamiento
con 125 mg o 5 ppm de TiO2 adicionando 6 ppm parciales o 36 ppm totales de H2O2.
A continuación se muestran los resultados agrupados a pH 7:
0 5 10 15 20 25 300
20
40
60
80
100
120
pH 5
Tiempo (min)
TO
C (
mg
/L)
5 ppm de dioxido de titanio, 3.7 ppm de peroxido de hidrogeno
1 ppm de dioxido de titanio, 3.7 ppm de peroxido de hidrogeno
10 ppm de dioxido de titanio,3.7 ppm de peroxido de hidrogeno
5 ppm de dioxido de titanio, 1 ppm de peroxido de hidrogeno
5 ppm de dioxido de titanio, 6 ppm de peroxido de hidrogeno
89
Tabla 28 Corrida 2
pH 7 TiO2 2 mg/L H2O2 5ppm
Corrida 2
Tiempo (min)
TOC (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 60.27 52.34606846 44.2461
10 56.54 55.79657724 47.6966
15 52.73 59.32109158 51.2211
20 53.64 58.47927845 50.3793
25 50.39 61.48575393 53.3858
30 54.43 57.74847364 49.6485
En la corrida 2 se trabajó a pH 7 mezclando 2 mg/L de TiO2 y 5 ppm de H2O2
obteniendo 49.67 % de degradación de COT en media hora.
Tabla 29 Corrida 18
pH 7 TiO2 8 mg/L H2O2 2 ppm
Corrida 18
Tiempo (min)
TOC (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 19.11 90.42192414 82.3219
10 19.32 90.22765957 82.1277
15 13.63 95.49130435 87.3913
20 9.4 99.40434783 91.3043
25 15.03 94.19620722 86.0962
30 8.965 99.80675301 91.7068
Esta corrida se llevó a cabo a pH 7 adicionando 2 ppm de peróxido de hidrogeno y 8
mg/L de TiO2, degradando 91.70 % de TOC en 30 min.
Tabla 30 Corrida 4
pH 7 TiO2 2 mg/L H2O2 2 ppm
90
Corrida 4
Tiempo (min)
TOC (mg/L) Degradación en (mg/l)
(Co-Ct/Co)*100
0 108.1
5 71.82 41.66151711 33.5615
10 66.91 46.20360777 38.1036
15 69.96 43.38214616 35.2821
20 59.77 52.80860315 44.7086
25 55.3 56.94366327 48.8437
30 54.91 57.30444033 49.2044
La corrida 4 se trabajó a pH 7 con 2 mg/L de TiO2 y 2 ppm de H2O2 obteniendo 49.20 %
de degradación de TOC en media hora.
Ilustración 36 Comparación de tratamientos Fotocatalíticos con TiO2 a pH 7
A pH 7 el tratamiento con menor degradación fue el de 2 ppm de TiO2 o 50 mg en 25 L
con adición de H2O2 parcial de 2 ppm ó 0.30 mL ó total de 14 ppm, el de mayor
degradación fue el de 8 ppm 200 mg en 25 L de TiO2 y H2O2 de 2 ppm ó 0.30 mL.
4.3.2 Análisis de los factores que afectan el proceso fotocatalítico con TiO2
0 5 10 15 20 25 300
20
40
60
80
100
120
Tiempo (min)
TO
C (
mg
/L)
pH 7
2 ppm de dioxido de titanio, 5 ppm de peroxido de hidrogeno
8 ppm de dioxido de titanio, 2 ppm de peroxido de hidrogeno
2 ppm de dioxido de titanio, 2 ppm de perroxido de hirdogeno
91
Los factores principales que afectan el proceso fotocatalítico TiO2, Peróxido y pH así
como las interacciones TiO2 vs Peróxido, TiO2 vs pH y Peróxido vs pH, esto para
determinar si hay o no influencia como se muestra a continuación:
Factor principal TiO2
Como se ha publicado anteriormente para que el TiO2 actué solo en el proceso es
necesario el aumento de la concentración para obtener un porcentaje mayor al 80 % es
necesario una concentración de 130 a 140 mg/L.
Ilustración 37 Factor Principal TiO2
Factor principal Peróxido de Hidrogeno La concentración de H2O2 no influye por si solo en el proceso ya que la mineralización
a diferentes concentraciones se mantiene constante.
92
Ilustración 38 Factor principal H2O2
Factor principal pH
El factor pH en sus diferentes interacciones con los otros factores influye
considerablemente ya que al aumentar el pH la mineralización disminuye
considerablemente.
Ilustración 39 factor principal pH
93
Interacciones pH vs TiO2
La interacción entre el pH y el catalizador TiO2 muestra que al aumentar el pH
disminuye la degradación hasta el 60 % por lo que se considera un factor importante en
este proceso.
Ilustración 40 Interacción pH vs TiO2
Interacciones H2O2 vs TiO2
El aumento en la concentración de H2O2 así como en la concentración del TiO2
aumenta la degradación, de 0.40 mL a 0.60 mL de H2O2 más 50 mg en 25 L o 2 ppm de
TiO2 se obtiene hasta un 80 %, sin embargo, de 0.30 mL o 2 ppm a 0.70 mL o 5 ppm de
peróxido y con una concentración de 50 a 125 mg en 25 L o 2 a 5 ppm de TiO2 se
obtiene el 90%, por otra parte el 95 % se obtiene con 0.30 mL de H2O2 y 200 ppm de
TiO2.
94
Ilustración 41 interacción TiO2 vs H2O2
Interacción H2O2 vs pH
El aumento de ambas concentraciones tiene un efecto negativo en la mineralización ya
que en lugar de obtener un porcentaje más alto en la mineralización, la degradación de
la materia orgánica se disminuye.
Ilustración 42 Interacciones H2O2 vs pH
95
Utilizando Design Expert 8.0 obtuvimos las diferentes combinaciones de los
tratamientos, de estos se eligió el mejor.
Para el proceso de fotocatálisis se optó por la opción número 1, un pH de 7, la
concentración del catalizador de 50 mg en 25 L o 2 mg/L (ppm) y el agente oxidante
0.30 mL o 2 ppm , de igual forma se pueden ver los diferentes tratamientos estos se
enlistan a continuación.
Numeros de
solución TiO2* pH* H2O2* Deseablilidad 1 50.00 7.00 0.30 1.000 Seleccionado
2 50.00 7.00 0.70 1.000
3 125.00 5.00 0.50 1.000 4 50.00 3.00 0.30 1.000
5 50.00 3.00 0.70 1.000
6 200.00 7.00 0.70 1.000 7 200.00 3.00 0.30 1.000
8 200.00 3.00 0.70 1.000
9 200.00 7.00 0.30 1.000 10 100.67 6.10 0.51 1.000
11 191.55 5.44 0.38 1.000
12 56.34 3.06 0.31 1.000 13 117.48 6.27 0.69 1.000
14 89.93 6.60 0.47 1.000
15 58.97 5.05 0.60 1.000 16 147.03 4.18 0.44 1.000
17 126.18 3.55 0.54 1.000
18 68.97 6.09 0.38 1.000 19 160.87 6.04 0.51 1.000
20 61.02 6.92 0.61 1.000
21 151.92 6.25 0.41 1.000 22 182.36 5.13 0.48 1.000
23 190.46 6.95 0.67 1.000
24 96.46 3.52 0.36 1.000 25 72.04 5.57 0.32 1.000
26 81.91 3.58 0.34 1.000
27 144.56 3.20 0.35 1.000 28 199.42 5.30 0.48 1.000
29 138.98 6.49 0.60 1.000
30 113.03 5.34 0.61 1.000 31 181.04 5.50 0.37 1.000
32 53.06 4.50 0.31 1.000
33 132.75 4.04 0.51 1.000 34 164.43 3.66 0.43 1.000
35 121.04 4.02 0.65 1.000
36 125.83 6.10 0.63 1.000 37 94.38 6.52 0.61 1.000
38 50.42 6.12 0.30 1.000 39 189.11 5.62 0.43 1.000
96
4.3.3 Superficie de respuesta en 3D
Se pueden observar los diferentes tratamientos resaltando que se bloquea el agente
oxidante con 0.50 mL o 3.7 ppm de H2O2, a un pH 3 y la concentración de TiO2 a 50 mg
en 25 mL o 2 ppm.
Ilustración 43 Superficie de respuesta 3D
4.3.4 Ecuación Final
Mineralización = +133.26476 -0.11354 * TiO2 -0.16749 * pH -97.24188 * H2O2 +
0.066345* TiO2* pH -0.027429* TiO2* H2O2 -1.44597 *pH*H2O2 -4.83716E-004*TiO2^2 -
1.52005*pH^2+108.85361*H2O2^2
4.3.5 Comprobación del modelo matemático
Mineralización = 133.26476-0.11354*( TiO2 2ppm)-0.16749*(pH 3)-97.24188*(H2O2
0.30 mL )+0.066345*( TiO2 2ppm)*( pH 3)-0.027429*( TiO2 2ppm)*( H2O2 0.30 mL)-
0.000483716*( TiO2 2ppm)^2-1.52005*( pH 3)^2+108.85361*( H2O2 0.30 mL)^2.
Mineralización =133.26476-0.11354*( TiO2 5 ppm)-0.16749*(pH 5)-97.24188*( H2O2
0.50 mL)+0.066345*( TiO2 5 ppm)*( pH 5)-0.027429*( TiO2 5 ppm)*( H2O2 0.50 mL)-
0.000483716*( TiO2 5 ppm)^2-1.52005*( pH 5)^2+108.85361*( H2O2 0.50 mL)^2.
97
Mineralización = 133.26476-0.11354*( TiO2 8 ppm)-0.16749*( pH 7)-97.24188*( H2O2
0.71 mL)+0.066345*( TiO2 8 ppm)*( pH 7)-0.027429*( TiO2 8 ppm)*( H2O2 0.71 mL)-
0.000483716*( TiO2 8 ppm)^2-1.52005*( pH 7)^2+108.85361*( H2O2 0.71 mL)^2.
Tabla 31 Resultados de la comprobación del modelo matemático del proceso fotocatalítico con TiO2
pH TiO2 H2O2 Mineralización
3 50 mg en 25 L ó 2 ppm 0.29 mL o 2 ppm parcial, 14 ppm total 102.704 optimo
5 125 mg en 25 L ó 5 ppm 0.50 mL o 3.7 ppm parcial, 26 ppm total 91.01
7 200 mg en 25 L ó 8 ppm 0.71 mL o 5 ppm parcial, 35 ppm total 90.37
Cabe resaltar que la ecuación final del modelo matemático es superior al 100% debido
a que se realizaron los cálculos con la ecuación de regresión que más se aproxima al
comportamiento del proceso Fotocatalítico, esta ecuación se obtuvo a partir de los
resultados obtenidos en cada uno de los diferentes tratamientos.
4.4 Gráfica de comparación de tratamientos Fenton, foto-Fenton y Fotocatálisis
con TiO2
El proceso de menor degradación fue Fenton con un 84% mientras que el proceso
Fotocatalítico con TiO2 obtuvo un 91 %, el proceso con mayor degradación fue el foto-
Fenton con una degradación del 98 % de remoción.
0 5 10 15 20 25 300
20
40
60
80
100
120
TO
C (
mg
/L)
Tiempo (min)
Fenton
Foto-Fenton
Fotocatálisis
Control
98
Ilustración 44 Comparación de procesos
Tabla 32 Concentraciones de los diferentes procesos
Proceso Optimo
Fenton pH 5, 2 ppm de H2O2, 2.9 mM de Fe2+.
Foto-Fenton pH 4, 3.7 ppm de H2O2, 1 mM de Fe2+ .
Fotocatálisis
pH 7, 2 ppm de H2O2, 8 mg/L de TiO2 .
99
4.5 Resultados de la comprobación y control de variables en los tratamientos
óptimos
Experimento No.1 Proceso Fenton, pH 4, H2O2 3.7 ppm cada 5 minutos hasta alcanzar un total de 26 ppm,
Fe2+ 1mM, pH Inicial 4.06 Final 2.99, 5 horas de tratamiento.
Ilustración 45 Experimento 1 CFU vs tiempo
Ilustración 46 Experimento 1 concentración mg/L vs tiempo
En condiciones de obscuridad y con relación 1:2 (Fe2+:H2O2) se llegó al límite de
detección (2UFC/mL) a los 300 min de tratamiento, el pH inicial fue de 4.06 y el final de
2.99 aproximándose al pH óptimo para la reacción Fenton, la concentración final de
Hierro Total fue 8.25 mg/L, la concentración inicial fue del peróxido de hidrogeno 0.23
mg/L y la final de 2.34 mg/L, el COT inicial fue de 28.297 mg/L y el final fue de 26.065
removiendo 7.88 %.
Experimento No.2
100
Fenton, pH 4, H2O2 3.7 ppm cada 5 min hasta alcanzar 26 ppm, Fe2+ 0.16 mM, pH
inicial 4.07 final 3.55, 4 horas de tratamiento.
Ilustración 47 Experimento 2 CFU vs Tiempo
Ilustración 48 Experimento 2 Concentración vs Tiempo
Bajo estas condiciones se llegó al límite de detección en 180 min, comenzando a pH
4.07 y terminando en 3.55, la relación hierro: peróxido fue de 1:3, la concentración de
hierro total inició en 8.29 mg/L y terminó en 2.61 mg/L para el peróxido se inició en 0.32
mg/L y terminó en 19.06 mg/L, el carbono orgánico total inició en 26.480 mg/L y terminó
en 22.113 mg/L por lo cual se logró una degradación del 9.57 %.
101
Experimento No.3 Foto Fenton, pH 4, H2O2 3.7 ppm cada 5 min hasta llegar a 26 ppm, Fe2+ 0.16 mM
pH inicial 4.04 final 3.72, 2 horas de tratamiento.
Ilustración 49 Experimento 3 CFU vs QUV
Ilustración 50 Experimento 3 Concentración vs Tiempo
Se llegó al límite de detección en 45 min iniciado a pH 4.04 y terminando en 3.72, la
radiación acumulada fue de 5.951 kJ/L, la [Fe total] inicial fue de 8.29 y terminó en 1.50
mg/L, [Peróxido] inicial fue de 0.99 y terminó en 0.22 llegando al punto máximo después
de 30min a 13.30 mg/L, el TOC inicial fue de 33.550 mg/L concluyendo en 21.656 mg/L
con una degradación de 35.45 %.
Experimento No.4
102
Fotocatálisis, pH 7, TiO2 8 mg/L, H2O2 2 mg/L cada 5 min hasta alcanzar 14 ppm
2 horas de tratamiento.
Ilustración 51 Experimento 4 CFU vs QUV
Ilustración 52 Experimento 4 Concentración vs Tiempo
En dos horas de tratamiento no se alcanzó el límite de detección obteniendo 3 UFC/mL
finales, la radiación acumulada fue de 5.43 kJ/L, la concentración del peróxido inició en
3.75mg/L y la final en 10.85 llegando al punto máximo después de los 30 min en 13.75
mg/L, el TOC inicial fue de 34.07 mg/L y el final llegó a 30.76 obteniendo el 9.688 % de
degradación.
Experimento 5
103
Foto-Fenton, pH 4, Fe2+ 0.16mM, H2O2 2.57 ppm cada 5 min hasta alcanzar 18 ppm
2 horas de tratamiento.
Ilustración 53 Experimento 5 UFC vs QUV
Ilustración 54 Experimento 5 concentración vs tiempo
El límite de detección fue alcanzado a los 90 min, la energía acumulada fue de 6.201
kJ/L, el pH inicial fue de 4.14 y el final de 3.65, la concentración de hierro total inicial fue
de 7.69 mg/L y la final de 1.50 mg/L, la concentración del peróxido inicial fue de 0.22
mg/L y terminó en 1.39 mg/L la concentración más alta se alcanzó a los 30 min con
11.86 mg/L, COT inicial fue de 41.070 y el final de 28.822 mg/L degradándose un
29.82%.
Experimento 6
104
Foto-Fenton, pH 4, Fe2+ 0.40 mM, H2O2 3.177ppm cada 5 minutos hasta alcanzar 23
ppm, 2 horas de tratamiento.
Ilustración 55 Experimento 6 UFC vs QUV
Ilustración 56 Concentración vs Tiempo
El limite se alcanzó a las 2 horas, la radiación acumulada fue de 6.445 kJ/L, el pH inicial
fue de 4.03 y el final de 3.32, la concentración inicial de hierro total fue de 48.12 mg/L
terminando en 4.22 mg/L, el peróxido inicial fue de 0.16 mg/L concluyendo en 0.72 mg/L
llegando a la concentración máxima en 9.81 mg/L, el carbono orgánico total inicial fue
de 49.39 mg/L y el final de 36.82 mg/L degradando 25.44 mg/L.
Experimento 7 Foto-Fenton, pH4, Fe2+ 0.08 mM, H2O2 1.14 ppm cada 5 min hasta alcanzar 8 ppm, en
105
3 horas de tratamiento.
Ilustración 57 Experimento 7 UFC vs Tiempo
Ilustración 58 Concentración vs Tiempo
No se llegó al límite de detección obteniendo hasta 98 UFC/mL en 180, min el pH inicial
fue de 4.45 y el final de 3.97, la concentración inicial de hierro total fue de 1.57 mg/L
terminando en 1.14 mg/L, en cuanto al peróxido la inicial fue de 0.08 mg/L finalizando
en 0.38 llegando a la concentración máxima de 1.23 mg/L, el carbono orgánico total
inició en 34.69 mg/L y termino en 32.618 mg/L, degradando el 5.97 %.
Experimento 8 Foto-Fenton, pH 4, Fe2+ 1mM, H2O2 3.7 ppm cada 5 min hasta alcanzar 26 ppm, en
106
2 horas de tratamiento.
Ilustración 59 Experimento 6 UFC vs Tiempo
Ilustración 60 Experimento 6 Concentración vs Tiempo
Se contaron después del tratamiento 220 UFC/mL en 120 min, la acumulación de
energía solar fue de 4.885 kJ/L, el pH inicial fue de 4.16 y finalizó en 3.08, no hubo
presencia de peróxido, la concentración del hierro total inicial fue de 45.44 mg/L y
terminó en 10.40 mg/L, el COT inicial fue de 28.720 y terminó en 14.545 mg/L
degradando un 49.35 % de COT.
Experimento 9 Fotocatálisis, pH 7, TiO2 2 mg/L, H2O2 5 ppm cada 5 min hasta llegar a 35 ppm
107
2 horas de tratamiento.
Ilustración 61 Experimento 9 UFC vs QUV
Ilustración 62 Experimento 9 Concentración vs Tiempo
Con 5.986 kJ/L se llegó al límite de detección a los 120 min, la concentración inicial del
peróxido fue de 4.92 mg/L y al final 23.85 mg/L llegando a la concentración máxima en
26.32 mg/L, el TOC de inicio fue de 25.990 mg/L y el finalizó en 23.295 mg/L
degradando el 10.369 %.
Experimento 10 Fotocatálisis, pH7, TiO2 2 ppm, H2O2 2 ppm cada 5 min hasta alcanzar 14 ppm
2 horas de tratamiento.
108
Ilustración 63 Experimento 10 UFC vs QUV
Ilustración 64 Experimento 10 Concentración vs Tiempo
Acumulado 4.395 kJ/L de radiación solar se llegó al límite de detección a los 120 min, la
concentración máxima de peróxido se alcanzó después de los 30 min con 15.32 mg/L
inició en 2.98 mg/L y terminó en 12.23 mg/L, se removió el 8.46 % de COT el cual
comenzó en 18.69 mg/L y terminó en 26.26 mg/L.
Experimento 11
Foto-Fenton, pH 4, Fe2+ 0.08mM, H2O2 1.14ppm cada 5 min hasta alcanzar 8 ppm
2 horas de tratamiento.
109
Ilustración 65 Experimento 11 UFC vs QUV
Ilustración 66 Experimento 11 concentración vs Tiempo
El proceso inició a un pH de 4.30 y finalizó en 4.13, se alcanzó el límite de detección a
los 45 min de tratamiento, la concentración de hierro total inicial 1.83 mg/L y concluyó
en 1.03 mg/L, la concentración de peróxido fue de -0.13 mg/L al inició y terminó en 1.03
mg/L alcanzando la máxima concentración después de 30 min en 1.28 mg/L, el COT
inicial fue de 31.320 mg/L y finalizó en 23.754 mg/L, degradando el 24.15%.
4.6 Comparación de tratamientos
El proceso foto-Fenton y Fotocatálisis mostraron diferentes resultados para los cuales
se realizaron gráficos y tablas comparativas para seleccionar el mejor de los
tratamientos.
110
4.6.1 foto-Fenton
Ilustración 67 Comparación de tratamientos con foto-Fenton
Tabla 33 Comparación de tratamientos foto-Fenton
[H2O2] [Fe2+] UFC/mL % Rem TOC mg/L QUV (kJ/L) Tiempo (min)
18 ppm 0.16 mM LD 29.82% 6.201 90
23 ppm 0.40 mM LD 25.44% 6.445 120
26 ppm 1 mM 220 49.35% 4.885 120
Los resultados obtenidos en el proceso Fenton/Foto-Fenton muestran que el mejor
tratamiento se obtuvo con una concentración de 0.08mM de Fe2+, 8 ppm de H2O2,
llegando al límite de detección en 45 min, con una remoción de COT del 24.15 % y con
la radiación acumulada de 5.249 (kJ/L), cabe resaltar que el tratamiento con [Fe2+] =
0.16 mM , [H2O2] de 26 ppm también llega al límite de detección a los 45 min, sin
embargo, si se hace la comparación entre ambos tratamientos, el que se seleccionó
como el mejor ahorra el 50 % de los reactivos.
4.6.2 Fotocatálisis con TiO2
111
Ilustración 68 Comparación de tratamientos con Fotocatálisis
Tabla 34 Comparación de tratamientos con Fotocatálisis
[H2O2] [TiO2] UFC/mL % Rem TOC mg/L QUV (kJ/L)
Tiempo (min)
14 ppm 8 mg/L 3 9.688 5.43 120
35 ppm 2 mg/L LD 10.369 4.92 120
En el proceso de Fotocatálisis dos de los tres tratamientos llegaron al límite de
detección a los 120 min, el mejor tratamiento con concentraciones de 14 ppm de H2O2,
2mg/L de TiO2 con una remoción de 8.46 mg/L de COT y la acumulación de energía de
4.395 kJ/L.
112
Conclusiones
La mayor degradación se logró con el proceso foto-Fenton con un 98% de
remoción de TOC.
El tratamiento óptimo con un pH 7, el proceso de Fotocatálisis mostró una gran
ventaja ante el proceso Fenton/foto-Fenton ya que se disminuye el uso de
reactivos para el ajuste de pH y remueve el 91 % de TOC.
Ambos procesos tienen mayor eficiencia cuando se regenera el peróxido de
hidrogeno en bajas concentraciones.
En días nublados con el proceso foto-Fenton se obtiene el 84 % de degradación
mientras que con la Fotocatálisis solo se obtiene un 48 %.
Comparando los dos tratamientos foto-Fenton y Fotocatálisis se concluye que el
mejor es foto-Fenton ya que se llega al límite de detección en 45 min mientras
que en el proceso de fotocatálisis con TiO2 se alcanza a los 120 min de
tratamiento, la energía acumulada para ambos procesos es baja ya que se
requieren entre 4.395 y 5.249 (kJ/L).
Ambos procesos son recomendables para la desinfección de agua ya que
muestran resultados positivos ante la inactivación de la bacteria E. faecalis y se
ven beneficiados con la adición constante de peróxido.
El proceso fotocatalítico con TiO2 muestra ventaja al no requerir mayor número
de reactivos en el ajuste de pH, sin embrago, se requiere cielos completamente
despejados para lograr la activación de la partícula de TiO2, mientras que la
reacción Fenton se lleva a cabo con o sin presencia de luz, en el último caso no
se lleva a cabo la regeneración del catalizador por lo tanto se pierde un radical
hidroxilo.
Las concentraciones de los catalizadores en especial el TiO2 se reduce en un
alto porcentaje ya que los óptimos se encuentran entre 100 ppm.
113
Recomendaciones
Estudiar el acoplamiento de ambos procesos tanto foto-Fenton con Fotocatálisis
para lograr la inactivación de las baterías y así desinfectar el agua para consumo
humano en días nublados, ya que es una de las desventajas mostradas en este
estudio.
Proponer el diseño de una planta potabilizadora utilizando ambos procesos.
Estudiar el mecanismo de inactivación de la bacteria con ambos procesos.
Medir el factor temperatura y pH a lo largo del tratamiento para tener
conocimiento de los comportamientos de ambas variables.
Comprobar en bacterias más resistentes como huevos de Helminto y E. Coli
ambos procesos para determinar si es eficiente.
114
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