QUIMICA

Fotocatalizadores y energía solar en la detoxificación de aguas contaminadas: Aplicaciones potenciales

Julio Eduardo Valladares

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La actividad agrícola e industrial genera un significativo número de contaminantes que son liberados al medio ambiente a través de las aguas de desecho, las cuales contaminan las aguas superficiales y subterráneas. Muchas de estas sustancias contaminantes son altamente tóxicas y difíciles de ser degradadas por la naturaleza. En América Latina, con tantos años de negligencia en este tipo de problemas, se presentan niveles dramáticos en áreas rurales y zonas cercanas a complejos industriales. Las descargas resultan particularmente peligrosas para la salud humana y devastadoras para el medio ambiente.

Las tecnologías tradicionales que se utilizan para la separación de sustancias orgánicas del agua tratada están basadas en procesos de adsorción con carbón activado o por arrastre con aire. Sin embargo, dichos procesos sólo transfieren los contaminantes de su fase acuosa a otra que resulta también contaminada, por lo que el problema persiste. En estos casos, los contaminantes no son destruidos, solamente son transferidos de un medio a otro.

Actualmente, existe un grupo de tecnologías basadas en procesos de destrucción de los contaminantes por medio de sustancias químicas conocidas como radicales hidroxilos, las cuales tienen la propiedad de ser altamente oxidantes. En estas tecnologías llamadas “procesos avanzados de oxidación” (PAO), los radicales reaccionan con el contaminante y lo transforman en compuestos inofensivos al medio ambiente. Dichas tecnologías están comenzando a ser implementadas en América del Norte, Europa y Japón. Un indicador del interés que están despertando son las 10 conferencias internacionales sobre el tema, aplicado a agua y aire, que se han realizado en la década de los 90.

Una de las tecnologías de este tipo que resulta atractiva para la descontaminación de aguas con sustancias orgánicas tóxicas es la degradación fotocatalítica basada en el uso de dióxido de titanio (TiO2 en forma cristalina) como fotocatalizador y luz ultravioleta (UV) solar de baja energía {320-390 nm (nanómetros: 10 metros)}. La generalidad del método ha sido probada a nivel de laboratorio desde mediados de los 80 para hidrocarburos tales como compuestos orgánicos clorados y fosforados contenidos en pesticidas y herbicidas, colorantes y surfactantes. La fotocatálisis puede también ser aplicada en la separación y deposición de metales tóxicos (plomo, mercurio y cadmio, entre otros) así como de metales preciosos (oro, plata, platino). La técnica consiste en generar radicales hidroxilos que lleven a cabo la oxidación de compuestos orgánicos y/o electrones para la reducción de metales sobre la superficie del semiconductor óxido de titanio. Ultimamente, esta tecnología ha cobrado mayor interés por su potencial aplicación con uso de la energía solar, ya que 5% de la luz del sol que llega a la troposfera contiene la energía necesaria para activar el dióxido de titanio.

Otras tecnologías avanzadas para oxidar los contaminantes orgánicos incluyen el uso de luz ultravioleta de alta energía (< 300 nm) conjuntamente con peróxido de hidrógeno (UV/H2O2), de ozono (UV/O3), de ultrasonido y la oxidación supercrítica. Este grupo de nuevas tecnologías se perfilan mundialmente como alternativas prometedoras para el tratamiento de un amplio número de compuestos orgánicos contaminantes en fase líquida y gaseosa.

Algunos sistemas para la purificación de aguas han sido ya construidos a nivel piloto en los estados de Colorado y Nuevo México en Estados Unidos y en Almería, España, utilizando suspensiones de óxido de titanio. A diferencia de estos sistemas, en la Universidad de Western Ontario, en Canadá, se diseñó, construyó y probó un nuevo reactor fotocatalítico que utiliza un sistema de canastas que sostienen una tela de fibra de vidrio con el óxido de titanio soportado. Este reactor -primero en su tipo- puede utilizar luz UV artificial (320-390 nm) o luz solar y puede ser escalado para su uso en la destrucción de contaminantes orgánicos o en la separación de metales tóxicos a partir de sus iones disueltos en agua.

Actualmente, se ha comenzando a utilizar este tipo de tecnologías fotocatalíticas solares empleando diferentes fotorreactores en trabajos de investigación que se llevan a cabo en los laboratorios del Departamento de Química del Campus Monterrey. Los fotorreactores solares que están siendo probados podrían fácilmente ser escalados para su uso en comunidades rurales, complejos agroindustriales e industrias que desechan aguas con contaminantes orgánicos o metales pesados.

Este trabajo presenta algunos de los resultados obtenidos en la degradación de compuestos modelo por medio de un reactor fotocatalítico denominado Reactor Anular con Sistema de Canastas (ASBR), el cual fue diseñado y probado en Chemical Reactor Engineering Centre (CREC) de la Universidad de Western Ontario. El reactor fue patentado recientemente (Valladares, J., de Lasa, H. U.S. Patent 5;683,589, noviembre de 1997) y utiliza una lámpara UV de 15 watts o luz solar y opera en forma muy simple.




El reactor anular con sistema de canastas (ASBR)

Este reactor fotocatalítico, originalmente llamado reactor PHOTO-CREC, está basado en la optimización de los siguientes factores:

1. dinámica del fluido,
2. carga de fotocatalizador en una tela de fibra de vidrio, e
3. iluminación del fotocatalizador.

Para cumplir con este objetivo se desarrollaron los siguientes componentes:

1. Sistema de canastas: son canastas de placa metálica perforada que sostienen tela de vidrio previamente impregnada con óxido de titanio con el objeto de proveer un contacto controlado del agua contaminada con el fotocatalizador iluminado. Quince canastas fueron ubicadas estratégicamente alrededor de la lámpara de luz ultravioleta. La tela de vidrio fue cuidadosamente sujetada a la placa perforada seleccionada. Este diseño permite dirigir el patrón del flujo de agua (Valladares, 1995).
2. Oxido de titanio soportado: el método de impregnación del óxido de titanio (TiO2) en la tela de fibra de vidrio permitió alcanzar concentraciones de 8.5% en peso sobre la superficie de la fibra con una distribución homogénea de partículas de dióxido de titanio fuertemente "ancladas" a la superficie. Serrano (1997) demostró que una técnica avanzada de impregnación provee una cobertura de TiO2 casi completa.
3. Geometría de reactor anular: esta geometría provee una iluminación uniforme de la tela de vidrio. La luz ilumina directamente una parte de la tela y la parte de atrás es iluminada por los rayos que penetran el vidrio y por la luz dispersada en el reactor.




Resultados experimentales

Se llevaron a cabo experimentos sistemáticos para probar la reactividad y eficiencia del sistema utilizando el colorante azul de metileno (MeB). Este compuesto tiene características que lo hacen un buen compuesto modelo, ya que puede seguirse fácilmente su cambio de concentración por la desaparición del color azul por espectrofotometría y tiene buena resistencia a la degradación por luz solar en ausencia de un fotocatalizador.

Las muestras para análisis fueron tomadas periódicamente del reactor y analizadas espectrofotométricamente a una longitud de onda de 664 nm. Inicialmente, cuando la lámpara está apagada, se produce una rápida reducción de la concentración del colorante MeB debido a la adsorción de éste en el sistema fibra de vidrio-dióxido de titanio. Esta adsorción se estabiliza prácticamente después de 15 minutos. Cuando la luz se enciende la reducción de la concentración del MeB continúa su decrecimiento de manera muy rápida. Este proceso progresa hasta desaparecer completamente el color de la solución debido a la reacción fotocatalítica. El análisis de los resultados permite concluir que en un período de 90 minutos, más del 90% del compuesto modelo es destruido.

Así mismo se hicieron estudios con otro contaminante modelo, como es el fenol, y se obtuvo una degradación del 90% en el efecto de concentración inicial del contaminante en 2 horas y 30 minutos. Se analizó también el efecto de la velocidad del flujo de recirculación. Los resultados sugieren que el efecto de transferencia de masa entre el fluido y la fibra de vidrio con el TiO2 es significativo sólo hasta alcanzar 500 mL/min del flujo de recirculación de agua.

La eficiencia energética fue analizada utilizando la figura de mérito llamada Energía Eléctrica por Orden de Magnitud (EE/O) propuesta por Bolton J. (1993). Esta es la cantidad de energía eléctrica requerida para reducir la concentración de un contaminante en una magnitud de 1,000 litros. Se considera que valores pequeños indican procesos más eficientes. El mejor resultado obtenido para la degradación del MeB (12 µM) fue de 38 y para el caso de soluciones de fenol (42 µM) fue de 170. Al comparar estos valores con resultados obtenidos por otros reactores referidos en la literatura científica, quedó demostrada la mayor eficiencia de este sistema.




Fotorreactores diseñados y construidos en el Tecnológico de Monterrey

Los siguientes fotorreactores están siendo probados en los laboratorios del ITESM:

• Reactor anular con doble iluminación: interna con lámpara UV de 15 W y externa con luz directa del sol y/o luz solar dispersa

Este sistema está formado por una suspensión de TiO2 dentro de un reactor anular el cual es iluminado internamente usando luz ultravioleta y externamente por medio de luz directa o dispersa. El reactor, diseñado y construido en el Campus Monterrey, tiene la ventaja de que la suspensión de TiO2 es doblemente iluminada, desde dentro y desde fuera, lo que permite un mejor aprovechamiento de la luz irradiada. Este sistema está siendo probado actualmente para separar plomo de soluciones acuosas.


• Reactor de recirculación de geometría rectangular

Este reactor se utiliza para sistemas fotocatalíticos de tratamiento de aguas; ejemplo de ello es el uso de sales de hierro y agua oxigenada en la reacción llamada Foto-Fenton, para destruir contaminantes orgánicos en altas concentraciones (>100 partes por millón). En este caso puede utilizarse un tipo de reactores rectangulares de baja profundidad con recirculación del agua. Este sistema, que es al mismo tiempo un colector de luz y un reactor, está siendo probado utilizando fenol como contaminante modelo.

El proyecto para la construcción de los reactores ha recibido el apoyo del Fondo para el Desarrollo Tecnológico “Rómulo Garza”.




Conclusiones

Las tecnologías fotocatalíticas son consideradas muy prometedoras para ser aplicadas en la solución de problemas de contaminación de agua y aire. Dichas tecnologías resultan muy atractivas para su implementación en Latinoamérica porque el uso de energía solar reduce en forma significativa el costo.

Los reactores fotocatalíticos son de manejo muy simple, utilizan energía solar y son fácilmente adaptables para diversas aplicaciones. Estos sistemas pueden también ser fácilmente combinados con reactores biológicos para el tratamiento más eficiente de compuestos recalcitrantes a la biodegradación. En general, la fotocatálisis puede ser aplicada en las siguientes áreas:

1. La detoxificación de aguas que contengan pesticidas, herbicidas y otros contaminantes orgánicos no biodegradables en complejos agroindustriales.
2. El tratamiento avanzado de aguas industriales con contenidos de sustancias orgánicas y/o metales pesados.
3. El tratamiento de aguas industriales de desecho en combinación con reactores biológicos para la reutilización del agua.
4. El tratamiento de aguas de desecho que resultan de la extracción de metales preciosos en la minería.
5. La desinfección de aguas.
6. La preparación de agua de alta pureza para ser usada en la industria microelectrónica.





Referencias Bibliográficas

Al Ekabi H.; Serpone N.; Pelizzetti E.; Minero, C.; Fox, M.A. and Draper, R. Langmuir. 5,250 (1989).

Serrano B., Ph.D. Dissertation, University of Western Ontario (1998).

Valladares, J., de Lasa H. USA Patent 5;683,589. Noviembre 4, (1997).

Valladares, J., de Lasa H. Proc. Primera Conferencia de RICA , Ed. J. Valladares, H. de Lasa. San Salvador, El Salvador (1994).

Valladares, J., de Lasa H. y Serrano B., Proc. Segunda Conferencia de RICA, Ed., E. Vogel, J. Valladares, Monterrey, México (1995).

Valladares, J., Ph.D. Dissertation, University of Western Ontario (1995).

Julio Eduardo Valladares obtuvo el Doctorado en Fisicoquímica en Ingeniería Química de la Universidad de Western Ontario, Canadá en 1995. Es investigador del Centro de Calidad Ambiental y profesor del Departamento de Química del Campus Monterrey.