FOTOCATÁLISIS, PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO, FORMACIÓN DE RADICALES LIBRES. CARACTERÍSTICAS DE LOS PRINCIPALES PROCESOS DE LA CATÁLISIS. APLICACIONES DE LOS PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADA EN EFLUENTES INDUSTRIALES.

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVA
FACULTAD DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES
DIRECCIÓN DEL DAPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS
AMBIENTALES
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL
FOTOCATÁLISIS, PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO, FORMACIÓN DE RADICALES LIBRES.
CARACTERÍSTICAS DE LOS PRINCIPALES PROCESOS DE LA CATÁLISIS. APLICACIONES DE
LOS PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADA EN EFLUENTES INDUSTRIALES.
ETAPAS DEL DISEÑO. INFORMACIÓN BÁSICA. CONSIDERACIONES GENERALES. DEFINICIÓN
DE TÉRMINOS UTILIZADO EN EL DISEÑO DE PLANTAS, MEDIDAS DE SEGURIDAD.
ALUMNO: CASTILLO MELENDEZ, Jeyra
HIDALGO DOMINGUEZ, Rosario del Carmen
OLIVERA GABANCHO, Franshesca -
DOCENTE
CURSO
CICLO
FECHA
: Ing. RIOS SIFUENTES , Frank
: Tratamiento de aguas residuales industriales
: 2019– II
: 20 de diciembre del 2018
I. INTRODUCCIÓN
Para la minimización de los impactos causados en los recursos hídricos por las industrias, en los últimos años
se han implementado los procesos de oxidación avanzada (POA) como una alternativa tecnológicamente
viable y novedosa para el tratamiento de los efluentes líquidos de dichas empresas.
Entre los procesos más utilizados se encuentra la fotocatálisis que consiste en la aceleración de una fotorreacción
mediante un catalizador.
Objetivos
- Definir la fotocatálisis, principios de funcionamiento, formación de radicales libres. Características de los principales
procesos de la catálisis. Aplicaciones de los procesos de oxidación avanzada en efluentes industriales.
- Explicar etapas del diseño. Información básica. Consideraciones generales. Definición de términos utilizado en el
diseño de plantas, medidas de seguridad.
II. REVISION LITERARIA
2.1. La fotocatálisis
La fotocatálisis parte del principio natural de descontaminación de la propia naturaleza. Al igual
que la fotosíntesis, gracias a la luz solar, es capaz de eliminar CO2 para generar materia orgánica,
la fotocatálisis elimina otros contaminantes habituales en la atmósfera, como son los NOx, SOx,
COVs, mediante un proceso de oxidación activado por la energía solar.
2.2. Principios de funcionamiento
La fotocatálisis es una reacción fotoquímica que convierte la
energía solar ene energía química en la superficie de un catalizador o
sustrato, consistente en un material semiconductor que acelera la
velocidad de reacción. Durante el proceso tienen lugar reacciones tanto
de oxidación como de reducción. De esta forma se promueve la
eliminación de la mayor parte de los contaminantes en las ciudades.
2.3. Oxidación mediante radicales hidroxilos
Los POA consisten básicamente en la formación de radical
hidroxilo
altamente
oxidantes,
los
cuales
contribuyen
a
la
mineralización total de los compuestos contaminantes presentes en
los efluentes industriales. Entre los procesos más utilizados se
encuentra la fotocatálisis que consiste en la aceleración de una
fotorreacción mediante un catalizador (RODRIGUEZ 2018).
2.4. Características de los principales procesos de la catálisis.
2.4.1. Fotocatalizador
En primer lugar, para que se sé la reacción fotocatalítica, será necesario
un fotocatalizador, un material semiconductor capaz de acelerar la velocidad de
las reacciones de oxidación. Los compuestos foto catalizadores normalmente son
semiconductores de banda ancha, los cuales producen pares “electrón – hueco”
con un buen potencial oxidante, y por lo tanto son capaces de mineralizar y
neutralizar contaminantes del aire. (RODRIGUEZ 2018)
2.4.2. Oxidante
Para que el fotocatalizador se oxide y reciba electrones suele emplearse
el oxígeno que en fase gaseosa es muy sencillo de aportar debido a su gran
presencia en el aire. (RODRIGUEZ 2018)
2.4.3. Suministrador de electrones
El grupo OH* suele ser el que aporta
los electrones en la reacción y más tarde
favorece la oxidación de los contaminantes
adsorbidos. (RODRIGUEZ 2018)
2.4.4. Radiación
La aplicación de luz ultravioleta puede
producirse de forma natural a través del sol o
con luz artificial a partir de instalaciones
lumínicas. El fotocatalizador será excitado al
absorber la radiación solar, con una longitud
de onda mayor a 310 nm o una análoga con la
artificial, de manera que se acelera la reacción
fotoquímica con la fotocatálisis (RODRIGUEZ
2018).
Figura 1: Formación del par electrónhueco en el TiO2, Rutilo - Anatasa.
Aplicaciones de los procesos de oxidación avanzada en efluentes
industriales.
La técnica de fotocatálisis heterogénea se ha utilizado para la descontaminación de
aguas residuales, que contienen colorantes e indicadores, debido a que este proceso de
oxidación avanzada genera la degradación y mineralización de estos contaminantes en
muchos efluentes líquidos. Es importante destacar que este proceso es viable, ya que
posee un bajo costo al utilizar una fuente inagotable y gratuita como es la radiación
solar; igualmente, es sostenible debido a que el catalizador utilizado (dióxido de titanio
(TiO2 ) es un reactivo relativamente económico y no tóxico16
Figura 2. Diagrama del proceso de oxidación Avanzada
de Fotocatálisis Heterógenea
FOTOCATÁLISIS SOLAR
El proceso de fotocatálisis, como se esquematiza
en la figura, permite aprovechar directamente la
energía solar que llega a la superficie terrestre,
provocando la aceleración de una reacción
fotoquímica mediante la presencia de un
catalizador (sensibilizador), que da lugar a la
eliminación de materia orgánica y metales
pesados disueltos en las aguas de vertidos
urbanos, industriales y agrícolas.
PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADA APLICADOS AL
TRATAMIENTO DE AGUAS
Una gran cantidad de estudios
recientes sobre el tratamiento de
aguas residuales, se centran en la
oxidación de los contaminantes
orgánicos persistentes disueltos en el
agua, compuestos refractarios a su
detoxificación, mediante procesos
biológicos convencionales.
• Los Procesos de Oxidación
Avanzada (AOPs “Advanced
Oxidation Processes”) son
procesos fisicoquímicos capaces
de producir cambios profundos
en la estructura química de los
contaminantes.
Los AOPs se clasifican en procesos
fotoquímicos y no fotoquímicos, en
función de la utilización o no de
radiaciones luminosas en el proceso.
En la tabla se indican algunos de los
más utilizados actualmente.
Algunas de las ventajas de estas nuevas tecnologías frente a los métodos convencionales, para el
tratamiento de aguas residuales industriales son las siguientes
Los contaminantes se destruyen, no se
concentran ni cambian de fase.
Son muy útiles para eliminar
contaminantes refractarios que
resisten otros métodos de tratamiento,
principalmente el biológico.
Puede alcanzarse la mineralización
total de los contaminantes orgánicos.
Usualmente no generan barros que
requieren tratamiento y/o eliminación.
Mejoran la biodegradabilidad del agua
residual, permitiendo acoplar un
tratamiento biológico posterior.
Etapas de diseño de una planta de tratamiento de aguas industriales
Pretratamiento
El pretratamiento, aunque no se considera un tratamiento con el que se logre reducir la
carga contaminante de los vertidos, si desempeña un papel fundamental en la medida
en que elimina elementos que pueden causar descensos en la eficiencia del
tratamiento y, quizá lo más importante, protege los equipos, partes y unidades de
la depuradora de daños que pueden resultar funestos para el funcionamiento de la
planta y del sistema de evacuación y transporte de aguas residuales, en general
Los objetivos principales de la etapa del pretratamiento, son:
a) Eliminar material grueso.
b) Eliminar arenas.
Cribado.- Son dispositivos constituidos por
barras metálicas paralelas e igualmente
espaciadas. Las barras puedes rectas o
curvadas. Su finalidad es retener sólidos
gruesos, de dimensiones relativamente
grandes que estén en suspensión o
flotantes. Las rejas, por lo general, son la
primera unidad de una planta de
tratamiento.
Desarenador .- Los desarenadores son
unidades a retener la arena y otros
detritos minerales inertes y pesados que
se encuentren en las aguas residuales. La
remoción de la arena tiene como finalidad
proteger las bombas contra desgaste, para
evitar obstrucciones de tuberías y para
impedir la formación de depósitos de
material inerte en el interior de
sedimentadores y digestores.
Tratamiento Primario
Sedimentación.- La separación de los sólidos por gravedad se basa en la diferencia que existe
entre los pesos específicos del líquido que es la fase continua y el de las partículas, las cuales
constituyen la fase directa. Para que se produzca la separación entre el líquido y los sólidos
pueden seguirse dos caminos, a saber, que aquellas partículas que tienen un peso específico
mayor que el del agua sedimenten, y que aquellas otras con un peso específico menos que el del
agua floten.
Sedimentación Primaria.- El objetivo fundamental de
la sedimentación primaria es remover de las aguas
residuales aquella fracción de los sólidos que es
sedimentable, además de la carga orgánica asociada
con dichos sólidos
Sedimentación Secundaria.- La sedimentación
secundaria es un proceso usualmente asociado con
los tratamientos biológicos o secundarios
propiamente dichos y con aplicaciones como lagunas.
Pero se debe tener en cuenta las siguientes
consideraciones en el mencionado tratamiento.
Flotación.- La flotación es un proceso de separación de líquido - solido
utilizado para la remoción de partículas o solidos suspendidos en las aguas
residuales. Se usa principalmente para la separación de grasas, aceites,
material fibroso y otros solidos de densidad baja. Como la mayoría de los
sólidos suspendidos presentes en las aguas residuales tiene un peso
específico cercano a 1.0, la adhesión de las burbujas de aire a los sólidos, o su
entrampamiento al interior, hacen que las partículas floten fácilmente.
Tratamiento Secundario.El objetivo de este tratamiento es remover la DBO
soluble que escapa a un tratamiento primario, además
de remover cantidades adicionales de sólidos
sedimentables. Un tratamiento secundario remueve
aproximadamente 85% de la DBO y los SST aunque no
remueve cantidades significativas de otros elementos
como metales pesados en el caso de aguas residuales
industriales.
Lodos Activados.- La depuración biológica por
fangos activos, lodos activados o barros activados
es un proceso biológico empleado en el
tratamiento de aguas residuales convencional,
que consiste en el desarrollo de un cultivo
bacteriano disperso en forma de floculo en un
depósito agitado, aireado y alimentado con el
agua residual, que es capaz de metabolizar como
nutrientes los contaminantes biológicos presentes
en esa agua.
La agitación evita sedimentos y homogeneiza la
mezcla de los flóculos bacterianos con el agua
residual. La aireación requerida tiene por objeto
suministrar el oxígeno necesario tanto para las
bacterias como para el resto de los
microorganismos aerobios.
Humedales Artificiales.- El tratamiento de aguas
residuales .mediante .humedales artificiales
(también denominado humedales construidos o
filtros biológicos) o "constructed wtlands" es un
sistema de tratamiento biológico que reproduce
los procesos que ocurren en la naturaleza, como
es la capacidad de auto purificación, fijación física
de los contaminantes en la superficie del suelo y
rizomas de plantas, degradación de la materia
orgánica, mediante utilización y transformación
de los elementos por intermedio de los
microorganismos.
Este sistema logra niveles de tratamiento con un
bajo consumo de energía y bajo mantenimiento;
lo que hace que tengan un atractivo potencial
para el tratamiento de aguas residuales.
Desinfección
A la salida del decantador secundario, el agua
pasará por un canal de cloración para su
desinfección, es decir, para destruir cualquier
organismo patógeno que pudiera haber
sobrevivido al proceso de tratamiento,
protegiendo así la salud pública. La
desinfección del agua residual toma gran
importancia cuando el efluente secundario es
usado para nadar o para el consumo humano
Debe recordarse que los tres grandes grupos
de patógenos de origen entérico que causan la
mayor parte de los problemas de salud pública
relacionada con enfermedades
gastrointestinales son:
Bacterias Virus Protozoos
Tratamiento Terciario.-
Consideraciones preliminares y critérios de selección
Caracterización de las aguas residuales
Caudal (incluyendo los caudales punta y mínimos).
Temperatura
pH
Sólidos sedimentables
DBO5 total y disuelta
DQO total y disuelta
Sólidos Totales (suspendidos y disueltos)
Nitrógeno Total Kjeldahl – NTK
Fosfatos
Grasas y Aceites
Sulfatos
Presencia de agentes de limpieza (tipo, volumen empleado, frecuencia de
uso)
Tabla 2. Información adicional a la caracterización de
las aguas que debe ser evaluada antes del diseño de un
sistema de depuración de aguas residuales
Criterios de selección
a)
Ubicación: A mínimo 400 m. de la edificación más cercana
b)
Se prefieren suelos de poca permeabilidad, para evitar la infiltración y
posible contaminación de las aguas subterráneas
c)
Necesidad de personal (Cualificado y No Cualificado) comparado con la
disponibilidad local.
d)
Nivel socioeconómico de los usuarios (sostenibilidad financiera)
e)
Estabilidad geológica (sismología)
f)
Facilidades (y costos) para la disposición de subproductos
g)
Aplicabilidad del proceso: Se evalúan con base a experiencias
previas. Registros de operaciones a escala real, datos publicados y
estudios de plantas piloto.
h)
Caudal de operación: Los procesos deben estar preparados para
soportar el caudal esperado de operación
a)
Variaciones de Caudal: Se debe tomar en cuenta si el diseño será para operar intervalos amplios de caudal o si será caudal constante. Si se
presentasen variaciones de caudal se requieren de tanques para homogeneizar el caudal del efluente.
b)
Condiciones climáticas: La temperatura afecta la velocidad de reacción de los procesos químicos y biológicos. Las temperaturas medias aceleran la
generación de olores y limitan la dispersión de estos a la atmosfera.
c)
Cinética de reacción y elección del reactor: El tamaño del reactor depende de la cinética de reacción predominante.
d)
Desempeño del sistema: Se mide en términos de la calidad del efluente. Deben considerarse las normas vigentes de cada país
e)
Procesamiento de lodos: Esta elección va de la mano con la elección del sistema de tratamiento del agua residual utilizado.
f)
Restricciones Ambientales: Existencia de vientos (dirección predominante), proximidad en zonas residenciales, trafico, ruido.
g)
Condición de operación y mantenimiento
h)
Disponibilidad de terreno
Medidas de seguridad
a) En la planta de tratamiento de aguas residuales industriales
Colocar letreros y señales para la prevención de accidentes en las
diferentes vías al interior de la planta de tratamiento de aguas
residuales.
Definir la ruta a ser seguida por los visitantes
Colocar cercas de protección en toda la ruta de visita
Mantener libre de obstáculos las rutas de visita
Mantener en buen estado de conservación las barandas que
circundan las compuertas, cámara de rejas, medidores de caudal,
etc.
Mantener limpias las diversas estructuras hidráulicas de la planta de
tratamiento de aguas residuales, así como los contenedores de
residuos sólidos para evitar posibles proliferaciones de insectos y
roedores.
Mantener limpias las vías de acceso y demás espacios verdes.
Prever la instalación de extintores contra incendios en la oficina
b) Para los operadores y obreros de la planta de
tratamiento de aguas residuales
Usar el equipo de seguridad brindado por la empresa
Conservar en condiciones de funcionamiento seguro de
instalaciones y las áreas de trabajo
Identificar todas las áreas susceptibles de riesgo
Establecer un programa de seguridad e higiene
Verificar el adecuado funcionamiento, el mantenimiento y
la adecuada ubicación de dispositivos y equipos de control
de emergencia
Cumplir con las medidas de seguridad para la prevención y
control de accidentes
Establecer un programa de seguridad e higiene
Verificar el adecuado funcionamiento, el mantenimiento y la adecuada ubicación de dispositivos y
equipos de control de emergencia
Cumplir con las medidas de seguridad para la prevención y control de accidentes
Fichas técnicas de seguridad de PTAR
Riesgos sanitarios
Riesgos químicos
Riesgos con gases orgánicos
Riesgos de caída
Riesgos eléctricos
Riesgos con equipos pesados