Oxidación avanzada. - Departamento de Ingeniería Química

APLICACIÓN DE LA
FOTOCATÁLISIS SOLAR
A LA DEPURACIÓN DE
AGUAS RESIDUALES DE
LA INDUSTRIA TEXTIL
DEPARTAMENTO DE
INGENIERÍA TEXTIL Y
PAPELERA
GRUPO DE PROCESOS DE
OXIDACIÓN AVANZADA
¿Necesidad de
tratamientos
alternativos?
•La creciente
demanda de la
sociedad para la
descontaminación
de sus aguas.
•Regulaciones cada
vez más estrictas.
•Procesos de
depuración
insuficientes.
Desarrollo
de nuevas
tecnologías
de
depuración.
depuración
¿Qué es la
fotocatálisis solar?
Tecnologías de oxidación
Avanzada
• Procesos no Fotoquímicos
• Procesos Fotoquímicos
Tecnologías de oxidación
Avanzada
Procesos no fotoquímicos
Ozonización
(O3), (O3/H2O2)
Oxidación
Húmeda
Procesos Fenton
(Fe2+/H2O2) y relacionados
Oxidación
electroquímica
Otros: Ultrasonidos, plasma, haces de
electrones
Tecnologías de oxidación
Avanzada
Procesos fotoquímicos
Radiación
Ultravioleta (UV)
UV/ (H2O2 /O3)
Foto-Fenton
(Fe2+/H2O2 + luz) y
relacionadas
Fotocatálisis
heterogénea.
Ventajas de las Tecnologías de
oxidación avanzadas
• Transforman químicamente al contaminante.
• Generalmente se consigue la mineralización
completa (destrucción) del contaminante.
• No suelen generar barros.
• Son muy útiles para contaminantes
refractarios a otros métodos.
• Sirven para tratar contaminantes a muy baja
concentración.
Ventajas de las Tecnologías
avanzadas de oxidación
• No se forman subproductos de reacción, o se
forman en baja concentración.
• Eliminan compuestos formados por
pretratamientos alternativos.
• Generalmente, mejoran las propiedades
organolépticas del agua tratada.
• Consumen menos energía que otros métodos.
• Sirven de pretratamiento para un método
biológico.
FOTOCATALISIS SOLAR
• Técnica de depuración de aguas
residuales consistente en aplicar
la energía solar para conseguir
la degradación de los
contaminantes por oxidación.
LIMITACIONES AOPs
FOTOQUIMICAS con LUZ UV
• La eficiencia de los tratamientos
fotoquímicos depende del
diseño del reactor (tipo de
lámpara, nº de lámparas,
geometría, hidrodinámica, etc.),
lo que incide sobre los costos.
• Elevado consumo energético
→ Se encarece el proceso
FOTOCATÁLISIS SOLAR
• La fotocatálisis es
un proceso que
se basa en la
absorción directa
o indirecta de
energía radiante
(visible o UV) por
el sensibilizador.
hν
sensibilizador
Contaminante
• El fotocatalizador
es capaz de
absorber la
energía solar
emitida, podrá
capturar fotones
y alcanzar
estados
electrónicos
excitados.
hν
-BC
+BV
sensibilizador
• Cuando estos
estados electrónicos
excitados se
desactivan, se
genera una especie
hν
orgánica agresiva
que será la
-BC
encargada de atacar
la materia orgánica
sensibilizador
+BV
iniciando su
Contaminante
degradación
Contaminante
Oxidado
oxidativa
Elementos necesarios
para la Fotocatálisis Solar
•
•
•
•
Luz: Solar.
Sustrato (contaminante).
Oxidante: Aire, O2, H2O2, S2O82-.
Fotocatalizador: TiO2, Fe, Otros
metales. (Cu, Cr...), Catalizadores
Orgánicos soportados.
TECNOLOGIAS
FOTOQUIMICAS SOLARES
• FOTOCATALISIS SOLAR:
– FOTO-FENTON
– FOTOCATALIZADORES
HETEROGENEOS
PROCESO FOTO-FENTON
• El reactivo de Fenton consiste en :
Fe 2+ + H2O2 → Fe 3+ + OH- + HO·
• Un modo de mejorar el proceso es conseguir
la reducción del Fe (III) a Fe (II).
• Se puede conseguir irradiando la disolución
con LUZ UV o LUZ SOLAR
Fe 3+ + hν + OH- → Fe 2+ + HO·
REACTIVOS empleados en
FOTO-FENTON
•
•
•
•
Peróxido de Hidrógeno: H2O2
Catalizador: Fe (Otros metales).
Oxidante: Oxígeno atmosférico.
Energía: Luz solar.
VENTAJAS E INCONVENIENTES
DE FOTO-FENTON
• VENTAJAS:
VENTAJAS
– Técnica poco específica.
– Posibilidad de degradación de gran
variedad de contaminantes: Colorantes,
Tensioactivos...
• INCONVENIENTES:
INCONVENIENTES
– Elevado consumo
hidrógeno.
de
peróxido
de
FOTOCATALIZADORES
HETEROGENEOS
• TiO2
• FOTOCATALIZADORES ORGANICOS
SOPORTADOS
en zeolitas, sepiolitas...
Control del proceso de
Fotocatálisis
• Demostrar degradación de
compuestos iniciales e intermedios
indeseables que se generen.
Medios de Control del
proceso de Fotocatálisis
•
•
•
•
Demanda Química de Oxígeno (DQO).
Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO).
Carbono Orgánico Total (COT).
Determinación de productos
inorgánicos.
• Toxicidad.
• Aumento de biodegradabilidad.
Tecnologías basada en el
uso de radiación solar
• Colectores
cilindroparabólico
compuestos
(CPC)
orientados al
sur con una
inclinación =
latitud local.
Colectores CPC
• Utilizan tanto la
radiación directa como
la difusa (50% ).
• Están constituídos por
una superficie
reflectante que sigue
una forma involuta
alrededor de un reactor
cilíndrico.
• Pueden alcanzar una
concentración de 10
soles.
Tratamiento de agua por
Detoxificación solar
Filtro
Contactor gas-líquido
Colector solar
Aditivos Recirculación
Uso posterior
SUGERENCIA PARA
APLICACIÓN VIABLE DE
ESTA TECNOLOGIA
SUGERENCIAS
• No es conveniente intentar una
mineralización total.
• El objetivo del tratamiento debe ser
aumentar la relación DBO/DQO.
• Se debe acoplar a un tratamiento biológico.
• La presencia de algunos iones puede
influir.
Acoplamiento FotocatálisisTratamiento biológico
• Al tratar
compuestos no
biodegradables no
es necesario
alcanzar 100% de
mineralización,
basta con
aumentar su
biodegradabilidad.
biodegradabilidad
Posibilidades de aplicación
de la Fotocatálisis
• Aguas residuales con contaminantes no
biodegradables; el tratamiento biológico
directo no es viable.
• Volúmenes no muy grandes (<500 m3/día).
• Residuos que se adapten a recirculación
con cargas discontinuas.
Tecnologías existentes para el
tratamiento del agua, en función de la
carga orgánica y del volumen a tratar
10000
Carbono Orgánico Total (mg/L)
Oxidación Húmeda Avanzada/ Incineración
1000
100
Incineración
Oxidación Húmeda Avanzada
Oxidación Química
Oxidación Húmeda
Procesos de Oxidación Avanzada
Procesos Biológicos
Procesos Biológicos
Tratamientos
Biológicos
Ozono
Fotocatálisis
10
H2 O2
Procesos Biológicos
1
0
10
20
30
40
50
Caudal (m3/h)
60
70
80
90
Aplicaciones potenciales de
la Fotocatálisis
•
•
•
•
•
•
•
•
Tratamiento de fenoles.
Compuestos orgánicos clorados (VOCs).
Productos farmacéuticos.
Residuos de limpieza de tanques
portuarios.
Eliminación de iones metálicos.
Degradación de cianuros.
Plaguicidas.
¿Aguas Textiles?
¿EXISTE ALGUN
EJEMPLO DE
APLICACIÓN
INDUSTRIAL DE ESTA
TECNOLOGÍA?
Aplicaciones Industriales
• Planta experimental
industrial de Arganda del
Rey para tratamiento de
cianuros (100m2 colector).
• Sistema de control
automáticos.
• Evolución del proceso
seguido a través de un
radiómetro solar que
detiene el proceso
cuando ha recibido la
radiación necesaria para
tratamiento.
¿POR QUÉ NOS PLANTEAMOS
HACER ESTUDIOS DE
FOTOCATALISIS SOLAR?
Conveniencia de realizar aquí
estudios de fotocatálisis
• Ubicación geográfica: altos índices de
radiación solar durante todo el año.
• Dificultad de otros países en realizar
investigación real en este campo.
• Posibilidad de liderar investigación en
la comunidad Europea.
Planta Piloto de detoxificación
solar DITEXPA
• Tratamiento
experimental de
aguas residuales
industriales.
• Con volúmenes
de 25-40l y 3m3
de colector solar.
radiómetro
Equipada con
radiómetro
para ensayar
viabilidad de
fotodepuración
en aguas reales
midiendo
radiación
necesaria.
RESULTADOS OBTENIDOS
Ejemplo de aplicación:
FotoFenton de un colorante Textil
• Preparación de la muestra
Ejemplo de aplicación:
FotoFenton de un colorante Textil
• Llenado
de la
planta
Ejemplo de aplicación:
FotoFenton de un colorante Textil
t=10 minutos
Ejemplo de aplicación:
FotoFenton de un colorante Textil
t=20 minutos
Ejemplo de aplicación:
FotoFenton de un colorante Textil
t=30 minutos
Ejemplo de aplicación:
FotoFenton de un colorante Textil
t=45 minutos
Resultado: aplicación a colorante
% Degradación p-rosanilina en 1h de reacción
100
50
0
Fe(III)
H2O2
Fe(III) + H2O2
Fe(III) + H2O3
Oscuridad
OTRO EJEMPLO:
TRATAMIENTO DE UN BAÑO DE
TINTURA REAL MEDIANTE
FOTOCATÁLISIS SOLAR
rojo de Sumifix BB150%
COLORANTE REACTIVO:
rojo de Sumifix BB150%
- Relación de baño 1/40
- 0,04 gr colorante
- Cantidad de Sulfato Sódico: 50 gr/L
- Cantidad de Carbonato Sódico: 12 gr/L
- 5 gr de tejido
- 400mg TiO2 comercial Degussa P25
Degradación del rojo de
Sumifix BB150%
t=0; A= 1,074
t=15m; A= 0,668
t=30m; A= 0,336
t=45; A= 0,176
t=60m; A= 0,119
t= 75m; A= 0,097
RECICLO DEL AGUA
INICIAL
FINAL
Absorbancia
1,474
0,0243
pH
10,67
10,82
Conductividad (mS/cm)
47
43
Tensión Superficial
45,3
47,6
2ª tintura de tejido :
% REFELECTANCIA
COMPARACIÓN % REFLECTANCIA
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Muestra Patrón
Muestra 1
400
450
500
550
600
650
700
LONGITUD DE ONDA
COMPARACIÓN ABSORBANCIA
3
ABSORBANCIA
2,5
No se aprecia diferencia en el color
2
Muestra Patrón
1,5
Muestra 1
1
0,5
0
400
450
500
550
600
LONGITUD DE ONDA
650
700
L*
a*
b*
C*
h
Muestra
Patrón
59,9993
48,5516
-5,1529
48,8242
353,9418
Muestra 1
60,5808
47,3509
-5,5286
47,6726
353,3404
DE*ab
Pasa/No
pasa
Incremento
0,5815
-1,2006
-0,3757
-1,1517
-0,5064
1,3859
PASA
•L* = Claridad
•a*, b* = Cromacidad
•C* = Croma (contenido de color)
•h = tono
ENSAYO DE SOLIDEZ AL LAVADO
ESCALA DE GRISES
Muestra patrón
Muestra problema
Cambio de color:
5
5
Descarga:
4-5
4-5
No se aprecia diferencia entre muestra inicial y muestra problema
CONCLUSIÓN:
Una aplicación de la
fotocatálisis solar es el
reciclado de las aguas de
tintura.
TRATAMIENTO DE TENSIOACTIVOS
POR FOTOCATALISIS
S + TiO2
DBS
S + TiO2 + H2O2
SDS
S + Cr(VI) + H2O2
S + Cr(III) + H2O2
S + Fe(III) + H2O2
S + H2O2
0
20
40
60
Aplicaciones Industriales:
Tratamientos de cianuros
• Empresa del sector de recubrimientos
metálicos: Transformación cuantitativa de CNen OCN-, que se oxida totalmente a CO2 y NO3CN- + 2OH- + 2H+BV→ OCN- + H2O
OCN- + 4 O2 + 4 H2O → NO3- + CO2 + H2O2
• [CN-] en aguas tratadas = de 0’2 a 20 g/l
• Coste: 25 Euros/Kg CN• Viabilidad Fotocatálisis: [CN-] < 8 g/l