diseño y construcción de sistemas prototipo de descontaminación

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE SISTEMAS PROTOTIPO DE
DESCONTAMINACIÓN DE AGUAS USANDO LUZ SOLAR Y/O LUZ
ULTRAVIOLETA
Gustavo Peñuela: Investigador Principal
Coinvestigadores: Margarita Hincapié, Jaime Valencia y Gloria Mejía
GIGA Y GIMEL de la Facultad de Ingeniería,
Universidad de Antioquia
Facultad de Ingeniería ambiental de la Universidad de Medellín
La Universidad de Antioquia y la Universidad de Medellín financiaron el diseño y
construcción de un colector solar para descontaminar aguas usando la Fotosensibilización.
En total se construyeron dos colectores, uno para la Universidad de Antioquia y otro para la
Universidad de Medellín. Igualmente se construyeron dos sistemas con luz ultravioleta, uno
para cada Universidad.
El proyecto finalizó en diciembre del año 2002.
INTRODUCCIÓN
La fotosensibilización es un proceso de destrucción de contaminantes que ha dado
excelentes resultados [1]. Los fotosensibilizadores son compuestos inorgánicos (Fe3+,
nitratos, nitritos, TiO2, ZnO, etc.) u orgánicos (ácidos húmicos) que absorben la radiación
ultravioleta y producen especies altamente reactivas, tales como el radical hidroxilo (HO.),
el anión superóxido (O2-.), etc. Estas especies atacan a los compuestos orgánicos
descomponiéndolos rápidamente, muchas veces hasta una completa mineralización del
contaminante [1,2,3,4].
Los fotosensibilizadores de interés ambiental son los que absorben por encima de 290 nm,
límite inferior de la radiación solar que llega a la superficie terrestre, y los compuestos
aceptores son compuestos que no absorben radiación por arriba de 290 nm o su coeficiente
de absortividad molar () es muy pequeño.
La fotodegradación sensibilizada se ha usado para descomponer y/o mineralizar una
variedad de compuestos orgánicos fotoestables, tales como insecticidas [5,6,7], herbicidas
[8,9,10,11], alguicidas [12], fosfatos orgánicos [13], fenoles [14,15], clorofenoles [16,17],
haloalcanos [18,19], cloroaromáticos [20], surfactantes [21], azocolorantes [22], etc.
FOTODEGRADACIÓN SENSIBILIZADA CON Fe3+
La reacción de Fenton [23] es reconocida como una de las más clásicas y más poderosas
reacciones de oxidación en aguas. Esta reacción se realiza sin la presencia de radiación UV,
aunque en los últimos años se ha usado con la luz UV para descomponer una gran cantidad
de compuestos refractarios [24,25,26]. El reactivo de Fenton es una mezcla de peróxido de
hidrógeno e ion ferroso (Fe2+) que producen el radical libre hidroxilo (HO.) y el ion férrico
(Fe3+). Cuando se genera una concentración suficiente de radical libre hidroxilo y de otros
radicales, las reacciones de oxidación de los compuestos orgánicos pueden llegar hasta una
total o casi total mineralización [7].
FOTODEGRADACIÓN SENSIBILIZADA CON TiO2
Los materiales semiconductores se pueden usar para fotosensibilizar la degradación de
compuestos orgánicos, pero ambientalmente solamente unos pocos son apropiados para la
fotosensibilización, ya que los otros no cumplen con alguno de los requisitos indispensables
que son: (1) Ser fotoactivo en la región espectral de la luz solar, (2) ser biológica y
químicamente inertes, (3) ser fotoestables, y (4) baratos. Así, TiO2, ZnO, CdS, SrTiO3,
CdTe, WO3, SnO2, ZnS, SnO2 y CdSe son materiales semiconductores, pero algunos de
estos semiconductores no son efectivos en la mineralización, aunque puedan llevar a cabo
la degradación del compuesto inicial.
La fotosensibilización con Fe2+ o Fe3+ se realiza con participación del sensibilizador en las
reacciones químicas pero en la sensibilización con TiO2, el sensibilizador no sufre
transformaciones químicas y realmente se comporta como un catalizador, y por esta razón a
la fotodegradación sensibilizada con TiO2 se le llama fotocatálisis, y más exactamente
fotocatálisis en fase heterogénea.
DESTOXIFICACIÓN SOLAR DE AGUAS
Los sistemas de destoxificación solar de aguas consisten en la tecnología de colectores
cilindro-parabólicos. Estos concentran la luz solar sobre un tubo transparente de vidrio que
se usa como receptor; dentro de este fotoreactor la porción ultravioleta del espectro solar
activa un sensibilizador en un proceso que acaba produciendo radicales hidroxilo.
Un esquema típico de un sistema de destoxificación es el que aparece en la figura 1.
Figura 1. Sistema de destoxificación solar de aguas mediante la fotocatálisis con TiO 2,
y en el cual se usa colectores cilindro-parabólicos
2
En la figura 1 se aprecian los elementos normales en la destoxificación solar mediante la
fotocatálisis con TiO2, pero que también se pueden usar en la descontaminación
fotosensibilizada con Fe3+. El tanque de sedimentación es usado en la fotocatálisis con
TiO2, pero en la fotodegradación sensibilizada con Fe3+ se usaría un tanque de coagulación.
En ambos casos es posible la reutilización del fotosensibilizador.
En la fotocatálisis, el oxígeno mejora la eficiencia y la velocidad de fotodegradación de los
contaminantes debido a que disminuye la recombinación entre los electrones de la banda de
conducción y los huecos dejados en la banda de valencia del TiO2. Sin embargo, el oxígeno
disuelto en el agua no es suficiente para mejorar el proceso de fotocatálisis, y por esto se
introduce al sistema aire u oxígeno.
El concentrador solar en el que tiene lugar el proceso fotocatalítico es un colector cilindroparabólico, y el cual puede ser estático o de seguimiento de la radiación solar.
Con el sistema de la fígura 1, se han llegado a disminuir la DQO de aguas desde 100.000
mg/L a 1000 mg/L en unas 18 horas de radiación solar.
OBJETIVOS DEL PROYECTO
 Se Diseñó y construyó un colector parábolico adecuado para la captación de radiación
solar en Medellín.
 Se ensayo el sistema en la degradación del plaguicida endosulfan, y de colorantes
industriales como el azul de metileno y el naranja reactivo 84.
 Se ensayó el sistema con aguas residuales de una industria textil
CONCLUSIONES
Se obtuvieron buenos resultados en la degradación de los plaguicidas y colorantes. El
Thiodan (endosulfán), por fotolisis, alcanzó un 36% de degradación en 32 horas de
irradiación, La fotocatálisis heterogénea con dióxido de titanio, degradó el thiodan
completamente en 4 horas de irradiación.
En la fotólisis del azul de metileno, se obtuvieron degradaciones del color, de 78.04%, en
36 horas de irradiación , para el naranja reactivo 84, se obtuvieron muy bajas degradaciones
del color de 10.68%, en 32 horas. La fotocatálisis heterogénea con dióxido de titanio,
acelera el proceso de degradación de los colorantes azul de metileno en un 44.72% en 4
horas de irradiación, y el naranja reactivo 84 de 52.77% en 8 horas de irradiación.
(1) Pelizzetti, E., Minero, C. y Maurino, V., Adv. Colloid and Interface. Sci., 1990, 32, 271316.
(2) Pelizzetti, E, Maurino, V., Minero, C., Zerbinati, O. y Borgarello, E., Chemosphere,
1989, 18, 1437-1445.
(3) Kerzhentsev, M., Guillard, CH., Herrmann, J-M. y Pichat, P., Catalysis Today, 1996,
27, 215-220.
(4) Hidaka, H., Nohara, K., Zhao, J., Serpone, N. y Pelizzetti, E., J. Photochem. Photobiol.,
A: Chem., 1992, 64, 247-254.
(5) Peñuela, G. and Barceló, D., Toxicol. Environ. Chem., 1997, 62, 135-147.
(6) Peñuela, G. and Barceló, D., J. Chromatogr. A, 1998, 795, 93-104.
3
(7) Hidaka, H., Nohara, K., Zhao, J., Serpone, N. y Pelizzetti, E., J. Photochem. Photobiol.,
A: Chem., 1992, 64, 247-254.
(8) Peñuela, G. and Barceló, D., J. Chromatogr. A., 1996, 754, 187-195.
(9) Peñuela, G. and Barceló, D., Toxicol. Environ. Chem., in press.
(10) Peñuela, G. and Barceló, D., J. Chromatogr. A, 1998, 823, 81-90.
(11) Pelizzetti, E., Maurino, V., Minero, C., Zerbinati, O. and Borgarello, E., Chemosphere,
1989, 18, 1437-1445.
(12) Peñuela, G., Ferrer, I. and Barceló, D., Environ. Sci. Technol., submitted.
(13) Alonso, M., Peñuela, G. and Barceló, D., In editing.
(14) Wei, T-Y., Wang, Y-Y and Wan, Ch-Ch., J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 1990,
55, 115-126.
(15) Sclafani, A., Palmisano, L., and Davi, E., J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 1991,
56, 113-123.
(16) D’Oliveira, J-Ch., Al-Sayyed, G. and Pichat, P., Environ. Sci. Technol., 1990, 24, 990996.
(17) Mills, G. and Hoffmann, M. R., Environ. Sci. Technol., 1993, 27, 1681-1689.
(18) Kuhler, R. J., Santo, G. A., Caudill, T. R., Betterton, E. A. and Arnold, R. G., Environ.
Sci. Technol., 1993, 27, 2104-2111.
(19) Martín, C. A., Baltanás, M. A. and Cassano, A. E., Environ. Sci. Technol., 1996, 30,
2355-2364.
(20) Daoxin, Y., Yongsheng, Ch., and Shugui, D., Water Qual. Res. J. Canada, 1995, 30,
61-67.
(21) Sherrard, K. B., Marriott, P. J., Amiet, R. G., Colton, R., Mccormick, M. J., and Smith,
G. C., Environ. Sci. Technol., 1995, 29, 2235-2242.
(22) Vinodgopal, V. and Kamat, P. V., Environ. Sci. Technol., 1995, 29, 841-845.
(23) Fenton, H. J. H., J. Chem. Soc., 1894, 65, 899-910.
(24) Arnold, S. M., Hickey, W. J. y Harris, R. F., Environ. Sci. Technol., 1995, 29, 20832089.
(25) Li, Z. M., Comfort, S. D. y Shea, P. J., J. Environ. Qual., 1997, 26, 480-487.
Sedlák, D. L. y Andren, A. W., Environ. Sci. Technol., 1991, 25, 777-782.
(26) Sedlák, D. L. y Andren, A. W., Environ. Sci. Technol., 1991, 25, 777-782.
4