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). BIBLIOGRAFÍA [1] M. J. Prather y J. A. Logan, Proc. Combustion Institute 25 1513, 1994. [2] I. 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