s2-ing04 degradación de gases toxicos mediante la tecnología de

DEGRADACIÓN DE GASES TÓXICOS MEDIANTE LA TECNOLOGÍA DE
PLASMA FRIO
H. Moreno*, M.Pacheco, J.Pacheco
Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, km 36.5 Carr .México-Toluca, CP 52740, Estado
de México
*Instituto Tecnológico de Toluca, e-mail: [email protected]
RESUMEN
La continua emisión de gases tóxicos, como en este caso el bióxido de azufre (SO 2), a la atmósfera genera la
degradación gradual del ambiente. La exposición a altas concentraciones de este gas origina problemas en el
sistema respiratorio además de ser un precursor de la formación de lluvia ácida. En particular, en la Zona
Metropolitana del Valle de México estudios revelan que para el año 2020 se prevé un aumento de las
emisiones del SO2 en un 48%.
En el presente trabajo se da una propuesta para la degradación de SO 2 basada en la tecnología de plasma frío.
El modelo para el tratamiento de este gas consiste en un estudio teórico de la cinética química para observar el
comportamiento de las especies participantes en el proceso de remoción, además se presenta un análisis de la
influencia del agua en la remoción del SO2. También, se presentan los primeros resultados de la
experimentación de la degradación del SO2 utilizando un reactor que combina la descarga de barrera
dieléctrica con la descarga corona y que trabaja a temperatura y presión atmosférica.
1. INTRODUCCIÓN
La remoción de SO2 se ha convertido en un problema científico central debido a que éste genera algunos
problemas ambientales como la lluvia ácida que provoca la acidificación de ríos, lagos, arroyos y otros
cuerpos de agua. El SO2 en altas concentraciones puede provocar, además, alteraciones en el sistema
respiratorio [1-3].
En la Zona Metropolitana del Valle de México (ZMVM) a pesar de las medidas que se han tomado para la
disminución de la contaminación originada por fuentes móviles, la contaminación supera los límites fijados
por las Normas Oficiales Mexicanas varios días al año. Se prevé que para el año 2020 las emisiones de
bióxido de azufre (SO2) aumentaran un 48%, con respecto a datos del año de 1998 reportados [4].
Para el control y disminución de las emisiones de SO2, actualmente se ha utilizado la tecnología de plasma
frío. Muchas investigaciones han mostrado que el plasma frío es eficiente para inducir reacciones químicas
para la remoción de contaminantes [5-9]; en especial, para la remoción del SO2, estudios efectuados han
demostrado la efectividad de los plasmas fuera de equilibrio [10-13].
En la actualidad existen varios métodos para generar un plasma frío; pero generalmente se producen mediante
descargas de barrera dieléctrica (DBD) y descargas corona [14]. Estas descargas normalmente se desarrollan a
presión y temperatura atmosférica.
2. REMOCIÓN DE SO2 UTILIZANDO LA TÉCNICA DBD-CORONA
2.1. Modelo teórico para la degradación de SO2
En la descarga de plasma frío, los electrones libres ganan energía de un campo eléctrico aplicado y pierden
energía a través de las colisiones con moléculas neutras como N2, O2 y H2O. Esta transferencia de energía
hacia las moléculas da origen a la formación de una variedad de especies incluyendo iones, metaestables
como O (1D), átomos y radicales libres. Estos productos son químicamente activos y dirigen a la formación de
nuevos compuestos estables. La remoción del SO2 basada en la tecnología de plasma frío se resume en tres
pasos como se muestra en la figura 1.
1. Producción de radicales a partir de la
disociación por impacto electrónico directo.
Generación de
electrones energéticos.
H2O, O2, N2 + e-  O, O(1D), OH, H, N
2. Producción de OH y O, por la rápida
desexcitación del O(1D)
3. Remoción de SO2 mediante
radicales.
O(1D) + H2O, O2, N2  O, OH
Figura 1. Mecanismo de degradación del SO2.
A continuación describiremos el proceso general de la degradación del SO2. En el plasma, el SO2 es oxidado a
SO3 mediante O- y O [15].


(1)
O  SO2  SO3  e
SO 2  O   N 2  SO 3  N 2
(2)
El agua es una fuente de radicales activos OH , y también es responsable de la completa transformación del
SO3 en H2SO4 (reacción 6). Además, el SO3 es muy soluble en H2O y fácilmente reacciona con ésta para
formar H2SO4.
(3)
SO  O   N  SO  N  O
3
2
SO 2  OH
2

2
 HSO 3
HSO 3  OH   H 2 SO 4
SO3  H 2O  H 2 SO4
2
(4)
(5)
(6)
Para observar la evolución de la concentración de las moléculas y átomos en el plasma con respecto al tiempo
se hace un balance de materia, que consiste en determinar cuántas moléculas y/o átomos se forman o
desaparecen en el plasma. El sistema de ecuaciones obtenido, que consta de 122 reacciones y que considera
18 especies (e-, O, OH, O(1D), O2, O2-, O-, H-, H, O2(a1∆g), O2+, O3, H2O, N2, SO3, SO2, H2SO4, HSO3) se
resuelve utilizando herramientas de Matlab como Ode15 y Ode45.
2.1.1. Resultados de la simulación de la remoción de SO2
En la figura 2a), se muestra la evolución temporal de las especies participantes en el proceso de degradación
del SO2 en partículas/cm3 a 1 segundo. Se tomó como base una mezcla de 99% vol. Aire, 1% vol. H 2O y 50
ppm de SO2. En la figura 2b), se reportan las concentraciones de SO 2 en partes por millón (ppm) en función
3
Concentración
(partículas/cm^3)
Concentración (particulas/cm
s)
del tiempo; se puede apreciar la drástica disminución de la concentración del SO2 en un tiempo de 0.1
segundo, lográndose a este tiempo remociones del orden de 98% del SO 2.
20
10
O2
H2SO4
15
H2O
HSO3
O3
10
SO2
OH
10
10
H
O
5
10
SO3
0
10
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
SO2
Tiempo (s)
Tiempo (s)
(a)
(b)
Figura 2. Evolución temporal de las especies en la degradación de SO2. (a) Concentración de especies en
particulas cm-3s-1, (b) concentración de SO2 en ppm
Para determinar la importancia de la concentración de la molécula de H 2O en la degradación de SO2, se
realizó la simulación a diferentes concentraciones de H2O, 0%, 1%, 5%, 10%, 50%, 80% (tabla 1). Se observa
que el agua es absolutamente necesaria para remoción de SO 2 (importancia de los radicales OH ), para 1%
vol. H2O se logra una remoción del 99.5 %; pero cuando se agregan altas concentraciones de H 2O al sistema,
tiende a disminuir la eficiencia de remoción debido a que el decaimiento de los radicales OH  aumenta con la
humedad [16].
Tabla 1. Concentración de SO2, H2SO4 en función del porcentaje del H2O, a 1 segundo.
Productos (ppm)
Aire-SO2
SO2
H2SO4
0
50
0
1
0.1798
22.7931
H2O % agregada
5
10
0.0419
0.0250
27.5761
29.0691
50
1.0766
15.5916
80
0.1819
22.7596
2.2. Fase Experimental
El dispositivo experimental para la degradación del SO2 (figura 3) consiste en un reactor Corona-DBD al cual
se le inyectarán 50ppm de SO2 balanceadas en aire, para tratamiento. La descarga Corona-DBD, son obtenidas
con una fuente de alimentación eléctrica [17], cuando el voltaje, frecuencia y corriente son mantenidos a 1.5
kV, 67 kHz y 150mA, respectivamente.
Los gases residuales son analizados mediante un sensor de gases Sensonic 2000, el cual mide las
concentraciones de los gases en ppm. Simultáneamente se realiza un diagnostico por espectroscopia óptica
para analizar algunas de las propiedades físicas del plasma como lo son: temperaturas (de excitación y de
rotación) y densidades de especies del plasma, sin embargo en este trabajo nos limitaremos sólo a reportar
algunas especies identificadas mediante esta técnica. Se realizó un análisis de las posibles líneas espectrales
en un plasma de aire-helio haciendo un barrido de 330 a 700nm (figura 6). Siendo las líneas de HeI (estado
fundamental) y OII (estado ionizado) mayoritarias.
REACTOR
SO2-aire
Medidor
de flujo
Computadora
DBD--CORONA
DBD
Fuente H.V.
F.O.
Analizador
Sensonic 2000
Monocromador
Figura 3. Dispositivo experimental.
El reactor utilizado se compone de un tubo de vidrio pyrex de 1.5 mm de espesor con un diámetro externo de
30 mm y una longitud de 120 mm; el tubo funciona como dieléctrico, alrededor de éste se encuentra una
malla metálica que actúa como electrodo. Al interior del tubo hay un filamento de acero de 2.4 mm de radio
que funciona como electrodo central (figura 4).
Electrodo
central
Entrada
gas
Entrada
gas
Fuente
H. V.
Malla
Salida
gas
Figura 4. Reactor Corona-DBD
2.2.1. Resultados experimentales.
En la figura 5 se reporta la degradación del SO2 mediante la tecnología propuesta. Aunque los tiempos de
remoción son mucho mayores que aquellos obtenidos en la simulación aproximadamente el 80% SO2 se
remueve en los primeros 2 segundos, alcanzando el 98% de su remoción a los 23 segundos y del 99.8% a los
40 segundos. Cabe mencionar que el resto de los gases formados (NOx y CO 2) oscilan entre 0 y 1 ppm.
50
SO2 [ppm]
40
1.5kV
150mA
67kHz
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
Tiempo
(s)
Time (s)
Figura 5. Degradación experimental del SO2.
4. CONCLUSIONES
En el trabajo teórico se determina que los radicales claves para la degradación de SO2 son O y OH, se
obtiene una degradación del 98% en un orden 0.1 segundos. Además, para lograr eficiencias superiores al
90% es suficiente agregar al sistema porcentajes menores al 10% de H 2O.
En la parte experimental se logra una remoción del 98% en 40 segundos, se observa que este tiempo es
relativamente grande comparado con los tiempos obtenidos en la modelación, este caso se presentó porque no
se agregó vapor saturado al sistema SO2-aire, sin embargo debido a que el reactor está abierto a la humedad
atmosférica sería dicha humedad la que aporta los pocos radicales OH  responsables de la degradación de
SO2.
5. AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue realizado gracias al apoyo de los integrantes del Laboratorio de Aplicaciones de Plasmas, Miguel Ángel
Durán García, Fidel Ramos Flores, y a los becarios Ricardo Valdivia Barrientos, Carlos Torres Reyes y José Luis Tapia
Fabela. Se agradece igualmente el apoyo otorgado por CONACyT-SEMARNAT (proyecto FOSEMARNAT-2004-01104).
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