UNIVERSIDAD VERACRUZANA
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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS REGION POZA RICA-TUXPAN “TRATAMIENTO DE AGUAS COLORIDAS DEL LABORATORIO “A” DE QUIMICA DE LA FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS DE POZA RICA” TESIS PARA PRESENTAR EL EXAMEN DEMOSTRATIVO DE LA EXPERIENCIA EDUCATIVA DE EXPERIENCIA RECEPCIONAL DEL PROGRAMA EDUCATIVO DE INGENIERIA AMBIENTAL PRESENTA: TANIA ARACELI GONZÁLEZ GARCÍA ASESOR: M.C. RAÚL ENRIQUE CONTRERAS BERMÚDEZ CO-ASESOR: DR. OSVALDO GONZÁLEZ PAREDES INDICE CONTENIDO INTRODUCCIÒN JUSTIFICACION OBJETIVOS HIPOTESIS CAPITULO I GENERALIDADES 1.1 El agua 1 1.1.1. Aguas residuales 2 1.1.2. Tipos de aguas residuales 3 1.1.3. Clasificación de contaminación 3 1.2 Contaminación por colorantes 7 1.3 Composición de las aguas residuales urbanas 7 1.4 Propiedades de las aguas residuales 9 1.5 Contaminantes físicos 1.5.1 Contaminantes químicos 10 10 1.6 Toxicidad por colorantes 11 1.7 Métodos de tratamientos de aguas residuales 12 1.7.1 Tratamiento primario 12 1.7.2 Tratamiento secundario 14 1.7.3 Tratamiento avanzado de las aguas residuales 15 1.8 Fotocatálisis 17 1.9 Catalizadores 19 1.9.1 20 Dióxido de Titanio (TiO2) CAPITULO II METODOLOGIA 2.1 Sistema de degradación 24 2.2 Espectrofotometría 25 2.3 Preparación de muestras para análisis 27 2.4 Barrido para la determinación de la longitud de onda de los colorantes azul de metilo, naranja de metilo y rojo congo ,para su posterior degradación. 27 INDICE CAPITULO III RESULTADOS 3.1 Determinación de la longitud de onda de los colorantes 28 3.2 Decoloración de colorantes 29 CONCLUSIONES 35 BIBLIOGRAFIA 36 ANEXOS 37 INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN Muchos de los contaminantes orgánicos contenidos en agua pueden ser removidos por oxidación biológica, de manera efectiva, además de los ya conocidos. En algunos casos la presencia de tóxicos y compuestos industriales, indican la aplicación de la tecnología. El tratamiento industrial de las aguas es una preocupación, ya que es de vital importancia la desinfección de la misma, tanto industrial como domestica, los métodos empleados como la digestión biológica, oxidación química y para la desinfección de la misma hacen este trabajo de gran importancia e interés. Muchos de los contaminantes arrojados a las aguas de los ríos, arroyos, lagunas y mares, como los compuestos orgánicos volátiles (hidrocarburos clorados y aromáticos), los cuales son nocivos para la biota y la salud y requieren para su eliminación un tratamiento terciario adicional a los ya establecidos en el tratamiento de aguas para solucionar dicho problema. El color del agua, el sabor y el olor son características más importantes en la contaminación del agua, dando un aspecto y sabor desagradable para el hombre. Para poder eliminar todos los componentes es indispensable el desarrollo de nuevas tecnologías que brinden una seguridad en el uso del agua. La degradación fotocatalítica consiste en la desactivación, empleando un semiconductor y luz UV. Cuando un fotón de energía suficiente (3.2 eV) incide sobre la superficie del semiconductor puede generar un par de electrón hueco que puede dar lugar a reacciones de oxidación-reducción. De los diferentes radicales generados cabe destacar el radical hidroxilo (-OH) de alto poder oxidante (2.8 Volts). El semiconductor más usado es el TiO2, que es un catalizador químicamente muy estable, barato, no toxico y abundante. El objetivo del presente trabajo es realizar la degradación fotocatalítica de los colorantes rojo congo, naranja de metilo y azul de metilo en medio acuoso utilizando TiO2 como catalizador en presencia de luz UV, debido a que son los que ii INTRODUCCIÓN se utilizan más en el laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ciencias Químicas. El trabajo está estructurado de la siguiente forma: En el capitulo l se dan los antecedentes, se describe cada uno de los procesos para el tratamiento de aguas, así como las características de los colorantes. En el capitulo ll se describe el sistema de reacción a utilizar, así como el catalizador empleado. En el capitulo lll se dan los resultados obtenidos del trabajo efectuado. En las conclusiones se logró el desarrollo de este trabajo, por último se hace mención de la bibliografía que fue consultada para el desarrollo de este trabajo. ii JUSTIFICACIÓN JUSTIFICACIÓN Muchos de los contaminantes arrojados a las aguas de los ríos, arroyos, lagunas y mares, como los compuestos orgánicos volátiles (hidrocarburos clorados y aromáticos), los cuales son nocivos para la biota y la salud y requieren para su eliminación un tratamiento terciario adicional a los ya establecidos en el tratamiento de aguas para solucionar dicho problema. iii OBJETIVOS E HIPOTESIS OBJETIVO GENERAL Degradar soluciones coloridas provenientes del laboratorio de química orgánica “A”, mediante un sistema intermitente empleando como catalizador Dióxido de Titanio e irradiando con luz ultravioleta. OBJETIVO ESPECIFICO Implementar el sistema de degradación. Degradar las soluciones coloridas en presencia de TiO2 y Luz UV. . HIPOTESIS Es posible degradar las soluciones coloridas mediante el uso de TiO 2 y Luz UV. iii CAPITULO I ANTECEDENTES CAPITULO I ANTECEDENTES 1.1 El agua El agua cubre el 71% de la superficie de la corteza terrestre. Se localiza principalmente en los océanos donde se concentra el 96,5% del agua total, los glaciares y casquetes polares poseen el 1.74%, los depósitos subterráneos (acuíferos), los permafrost y los glaciares continentales suponen el 1.72% y el restante 0.04% se reparte en orden decreciente entre lagos, humedad del suelo, atmósfera, embalses, ríos y seres vivos. [1] 1% 7% 2% Agua de Mar Hielo 90% Agua Dulce Agua Dulce Superficial Figura 1.1 Porcentaje de agua en el planeta. Fuente: Reisner, Marc (1993). Cadillac Desert: The American West and Its Disappearing Water Desde el punto de vista físico, el agua circula constantemente en un ciclo de evaporación o transpiración (evapotranspiración), precipitación, y desplazamiento hacia el mar. Los vientos transportan tanto vapor de agua como el que proviene de los mares mediante su curso sobre la tierra, en una cantidad aproximada de 45,000 Km. al año. En tierra firme, la evaporación y transpiración contribuyen con 74,000 Km. anuales al causar precipitaciones de 119.000 Km cada año. [1] 1 CAPITULO I ANTECEDENTES Se estima que aproximadamente el 70% del agua dulce es usada para agricultura, en la industria se absorbe una media del 20% del consumo mundial, empleándose en tareas de refrigeración, transporte y como disolvente de una gran variedad de sustancias químicas. El consumo doméstico utiliza el 10% restante. Es esencial para la mayoría de las formas de vida conocidas por el hombre, incluida la humana. El requerimiento al agua potable se ha incrementado durante las últimas décadas en la superficie terrestre, se estima que uno de cada cinco países en vías de desarrollo tendrá problemas de escasez de agua antes del 2030; en esos países es vital un menor gasto de agua en la agricultura modernizando los sistemas de riego. [2] 1.1.1 Aguas residuales Las aguas residuales constituyen un importante foco de contaminación de los sistemas acuáticos, siendo necesarios los sistemas de depuración antes de evacuarlas, como medida importante para la conservación de dichos sistemas. La contaminación actúa sobre el medio ambiente acuático alterando el delicado equilibrio de los diversos ecosistemas integrado por organismos productores, consumidores y descomponedores que interactúan con componentes sin vida originando un intercambio cíclico de materiales. El hombre continúa utilizando el agua con su contaminación. Es difícil eliminar los contaminantes y si el agua original tiene gran proporción de minerales, el problema se complica. [2] 2 CAPITULO I 1.1.2 ANTECEDENTES Tipos de Aguas Residuales Vertidos en los que cambian la concentración de los componentes en el medio ambiente acuático, muchos de los cuales pueden actuar en destrucción de los organismos acuáticos y de la calidad del agua en general. Actualmente, la contaminación de los cauces naturales tiene su origen en tres fuentes: Vertidos industriales. Vertidos domésticos. Vertidos agrícolas. 1.1.3 Clasificación de contaminación Las principales fuentes de contaminación del agua son las aguas residuales municipales o industriales, las primeras son las que vienen de los seres humanos por las diversas actividades que realizan día con día como los desechos de la cocina, baños, drenaje y lavado de ropa. Las aguas residuales del proceso son de gran importancia dependiendo de la industria que las desecha, citando unas por ejemplo la industria textil y la química. Todos los cuerpos de agua tienen algún nivel de contaminación, sobre todo si atraviesan ciudades. Se deben a los vertidos incontrolados o escasamente controlados de diferente naturaleza: orgánico e inorgánico de origen domestico, industrial, agropecuario, por ejemplo: Escapes o fugas de sustancias químicas desde tanques de almacenamiento. Infiltración de sustancias químicas orgánicas y compuestos tóxicos desde rellenos sanitarios, tiraderos abandonados de desechos peligrosos y desde lagunas para almacenamiento de desechos industriales. 3 CAPITULO I a) ANTECEDENTES Residuos domésticos: Son los que proceden de la evacuación de los residuos y manipulaciones de cocinas (desperdicios, arenas de lavado, residuos animales y vegetales, detergentes y partículas), de los lavados domésticos (jabones, detergentes sintéticos con espumantes), y de la actividad general de las viviendas (celulosa, almidón, glucógeno, insecticidas, partículas orgánicas, etc.) y que se recogen en la limpieza de la habitación humana [2]. En la figura 1.1.3 Se muestran algunos de los contaminantes que vienen del uso domestico. a) b) Figura 1.2. Algunos de los contaminantes en el uso doméstico. Fuente: Banco de imágenes del CNICE. b) Arrastres de lluvia. Al caer una lluvia sobre una ciudad, arrastrara partículas y fluidos presentes en las superficies expuestas, es decir: hollín, polvo de ladrillo y cemento esporas polvo orgánico e inorgánico de los tejados, partículas sólidas polvo, partículas sólidas (tierras) de los parques y zonas verdes, hidrocarburos de las vías públicas, [2]. 4 CAPITULO I ANTECEDENTES En la figura1.3. Se muestra la contaminación por fluidos presentes en superficies expuestas. Figura 1.3. Contaminación por arrastre de lluvias Fuente: Banco de imágenes del CNICE. c) Agrícola ganadero Son el resultado del riego y de otras labores como limpieza ganadera, que pueden aportar al agua grandes cantidades de estiércol y orines (materia orgánica, nutrientes y microorganismos). La contaminación de aguas causada por lixiviados y escorrentías que arrastran los residuos químicos de fertilizantes y pesticidas aplicados,originan la desaparición de ecosistemas forestales, de fauna y de flora endémicos de la región, para ser colonizadas por nuevos cultivos o producción pecuaria, el incremento de enfermedades en la salud humana por la residualidad de pesticidas en los productos cosechados y la falta de protección adecuada de los trabajadores cuando los aplican [2]. En la figura 1.5. Se presenta la contaminación de uso agrícola. 5 CAPITULO I ANTECEDENTES Figura 5. Contaminación por uso agrícola. Fuente: 2008. Academia Nacional de Ciencias. d) Residuos Industriales Son aquellas que proceden de cualquier actividad o negocio en cuyo proceso de producción, transformación o manipulación se utilice el agua. Son enormemente variables en cuanto a caudal y composición, difiriendo las características de los vertidos, no sólo de una industria a otro, sino también dentro de un mismo tipo de industria. Su alta carga unida a la enorme variabilidad que presentan, hace que el tratamiento de las aguas residuales industriales sea complicado, siendo preciso un estudio específico para cada caso [2]. En la figura 1.4. Se muestra la contaminación por descargas industriales. 6 CAPITULO I ANTECEDENTES Figura 1.4. Contaminación de agua por uso industrial. Fuente:2011/07/contaminacion-agua.jpg 1.2 Contaminación por colorantes El tratamiento industrial de las aguas es de interés mundial y preocupante, ya que es de vital importancia y relevancia la desinfección de la misma, los métodos empleados como la digestión biológica, oxidación química o adsorción de carbón activado. 1.3 Composición de las aguas residuales urbanas. Las aguas residuales urbanas se clasifican según el aspecto químico o bajo el aspecto biológico. Composición química. Sólidos: Generalmente, las aguas residuales contienen sólidos disueltos, sólidos en suspensión y sólidos en flotación, que normalmente no pasan de 1.000 ppm del total, aunque su tratamiento en estaciones depuradoras necesita de instalaciones especiales. Gases: Las aguas residuales contienen diversos gases con diferente concentración. Oxígeno disuelto: Es el más importante y es un gas que va siendo consumido por la actividad química y biológica. El oxígeno disuelto depende de muchos factores, como temperatura, altitud, movimientos del curso receptor, actividad biológica, actividad química, etc. 7 CAPITULO I ANTECEDENTES El control del oxígeno disuelto a lo largo del tiempo, suministra una serie de datos fundamentales para el conocimiento del estado de un agua residual. Ácido sulfhídrico: Es un gas que se forma al descomponerse en medio anaerobio de ciertas sustancias orgánicas e inorgánicas que contienen azufre. Su presencia, se manifiesta fundamentalmente por los olores que produce, es un indicativo de la evolución del estado de un agua residual, es poco estable al calor, descomponiéndose en azufre e hidrogeno. Anhídrido carbónico: Se produce en las fermentaciones de los compuestos orgánicos de las aguas residuales negras. Su presencia en el agua puede estudiarse por infinidad de métodos. Metano: Se forma en la descomposición anaerobia de la materia orgánica al reducir ciertas bacterias el CO2, utilizando hidrógeno de fermentaciones butíricas y apareciendo sobre todo en cierto tipo de estaciones depuradoras, dando algunas posibilidades de aprovechamiento como combustible. Líquidos: A veces, las aguas residuales próximas a una industria pueden contener líquidos específicos. Por lo general, llevan algunos líquidos volátiles como gasolinas, alcoholes, etc. 8 CAPITULO I ANTECEDENTES Composición biológica: Contienen gran número de organismos vivos que son los que mantienen la actividad biológica, produciendo fermentaciones, descomposición y degradación de la materia orgánica e inorgánica [3]. 1.4 Propiedades de las aguas residuales. Propiedades físicas: Estas propiedades son adquiridas en su mayor parte, según sea el contenido total de sólidos en diferentes variantes de materiales flotantes, sustancias coloidales y sus productos disueltos. El color de los efluentes urbanos produce ciertos efectos sobre las aguas de aplicación cuando se siguen sistemas agrarios de tratamiento de las aguas residuales. Generalmente, la coloración es indicadora de la concentración y composición de las aguas contaminadas, y puede variar del gris al negro. La temperatura de los efluentes urbanos no plantea graves problemas, ya que oscila entre 10 y 20º C; facilita así el desarrollo de una fauna bacteriana y una flora autóctona, ejerciendo una acción amortiguadora frente a la temperatura ambiente, tanto en verano como en invierno, y en cualquier tipo de tratamiento biológico. El olor causado por la descomposición anaerobia de la materia orgánica es debido a la presencia de acido sulfhídrico, indol, escatoles, mercaptanos y otras sustancias volátiles, y es eliminado por aireación del agua en los diferentes sistemas biológicos. Propiedades químicas: Las propiedades químicas del agua tienen gran importancia debido a que interaccionan con las del suelo, variando el valor de cada parámetro. Esto obliga a considerar que las modificaciones a provocar en el agua residual tienen que 9 CAPITULO I ANTECEDENTES poseer un sentido de equilibrio que evite, en cualquier forma, que un componente se convierta en factor limitante del crecimiento del sistema natural que se quiera aplicar [3]. 1.5 Contaminantes físicos. Los contaminantes físicos son caracterizados por un intercambio de energía entre persona y ambiente en una dimensión y velocidad tan alta que el organismo no es capaz de soportar. Radiactividad: procedente de fuentes naturales o actividades humanas. Se acumulan en los fondos de los embalses y fondos oceánicos. Son mutagénicos y por consecuencia efectos cancerígenos. Contaminación térmica: procedente de la utilización del agua como refrigerante en las industrias térmicas o de las turbinas de los embalses. Afecta la duración de los ciclos de crecimiento y reproductores de las especies. 1.5.1 Contaminantes Químicos. Incluyen compuestos orgánicos e inorgánicos disueltos o dispersos en el agua. Biodegradables: como nitratos y fosfatos procedentes de los fertilizantes o de la descomposición de materia orgánica. La propia naturaleza es capaz de degradarlos. No biodegradables: son compuestos obtenidos por la síntesis química tales como plásticos, pesticidas, metales pesados, no encuentran organismos con equipos enzimáticos capaces de transformarlos. Las sustancias contaminantes que pueden aparecer en un agua residual son muchas y diversas. Dentro de las cuales se encuentran los orgánicos y los inorgánicos. 10 CAPITULO I ANTECEDENTES a) Contaminantes orgánicos Son compuestos cuya estructura está compuesta fundamentalmente por carbono, hidrogeno, oxígeno y nitrógeno. Los compuestos orgánicos que pueden aparecer en las aguas residuales urbanas son: Proteínas: proceden fundamentalmente de excretas humanas o de desechos de productos alimentarios. Son biodegradables, bastante inestables y responsables de malos olores. Carbohidratos: incluimos en este grupo azucares y fibras celulósicas. Proceden, al igual que las proteínas de excretas y desperdicios. Aceites y grasas: altamente inmiscibles con el agua, proceden de desperdicios alimentarios en su mayoría, a excepción de los aceites minerales que proceden de otras actividades. b) Contaminantes inorgánicos Son de origen mineral y de naturaleza variada: sales, óxidos, ácidos y bases inorgánicas, metales, etc [3]. 1.6 Toxicidad por colorantes En cuanto a la toxicidad de los colorantes, desde hace años se han observado como agentes potencialmente tóxicos. En la actualidad ya no se presentan tanto debido al conocimiento y al control que de ellos se tiene. Los colorantes limitan la penetración de la luz en el agua y pueden reducir notablemente los niveles de oxigeno disuelto, por lo cual altera el equilibrio ecológico natural del agua. Para contrarrestar o disminuir los efectos de estos en el medio ambiente se han desarrollado métodos que reduzcan el grado de contaminación de los colorantes. 11 CAPITULO I ANTECEDENTES 1.7 Métodos de tratamientos de aguas residuales. Los tratamientos para aguas de desecho, pueden reconocerse en base a su ubicación en el proceso de limpieza, como primarios, secundarios y terciarios. 1.7.1 Tratamiento primario Las aguas residuales que entran en una depuradora contienen materiales que podrían atascar o dañar las bombas y la maquinaria. Estos materiales se eliminan por medio de enrejados o barras verticales, y se queman o se entierran tras ser recogidos manual o mecánicamente. El agua residual pasa a continuación a través de una trituradora, donde las hojas y otros materiales orgánicos son triturados para facilitar su posterior procesamiento y eliminación. Cámara de arena Son cámaras aireadas de flujo en espiral con fondo en tolva, o clarificadores, provistos de brazos mecánicos encargados de raspar. Se elimina el residuo mineral y se vierte en vertederos sanitarios. La acumulación de estos residuos puede ir de los 0,08 a los 0,23 m3 por cada 3,8 millones de litros de aguas residuales. Sedimentación La coagulación es un proceso que consiste en añadir productos químicos como el sulfato de aluminio, el cloruro férrico o polielectrolitos a las aguas residuales; esto altera las características superficiales de los sólidos en suspensión de modo que se adhieren los unos a los otros y precipitan. La floculación provoca la aglutinación de los sólidos. Ambos procesos eliminan más del 80% de éstos. Una vez eliminada la fracción mineral sólida, el agua pasa a un depósito de sedimentación donde se depositan los materiales orgánicos, que son retirados para su eliminación. El proceso de sedimentación puede reducir de un 20 a un 40% la DBO y de un 40 a un 60% los sólidos. 12 CAPITULO I ANTECEDENTES Flotación Una alternativa a la sedimentación, utilizada en el tratamiento de algunas aguas residuales, es la flotación, en la que se fuerza la entrada de aire en las mismas, a presiones de entre 1,75 y 3,5 Kg. por cm2. El agua residual, supersaturada de aire, se descarga a continuación en un depósito abierto. En él, la ascensión de las burbujas de aire hace que los sólidos en suspensión suban a la superficie, de donde son retirados. La flotación puede eliminar más de un 75% de los sólidos. Digestión La digestión es un proceso microbiológico que convierte el cieno, orgánicamente complejo, en metano, dióxido de carbono y un material inofensivo similar al humus. Las reacciones se producen en un tanque cerrado o digestor, y son anaerobias, esto es, se producen en ausencia de oxígeno. La conversión se produce mediante una serie de reacciones. En primer lugar, la materia sólida se hace soluble por la acción de enzimas. La sustancia resultante fermenta por la acción de un grupo de bacterias productoras de ácidos, que la reducen a ácidos orgánicos sencillos, como el ácido acético. Entonces los ácidos orgánicos son convertidos en metano y dióxido de carbono por bacterias. Se añade cieno espesado y calentado al digestor tan frecuentemente como sea posible, donde permanece entre 10 y 30 días hasta que se descompone. La digestión reduce el contenido en materia orgánica entre un 45% y un 60 %. Desecación Es una operación de transferencia de masa de contacto gas- sólido, donde la humedad contenida en el sólido se transfiere por evaporación hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia entre la presión de vapor ejercida por el sólido húmedo y la presión parcial de vapor de la corriente gaseosa. Cuando estas dos presiones se igualan, se dice que el sólido y el gas están en equilibrio y el proceso desecado cesa. 13 CAPITULO I ANTECEDENTES El cieno digerido se extiende sobre lechos de arena para que se seque al aire. La absorción por la arena y la evaporación son los principales procesos responsables de la desecación. El secado al aire requiere un clima seco y relativamente cálido para que su eficacia sea óptima, y algunas depuradoras tienen una estructura tipo invernadero para proteger los lechos de arena. El cieno desecado se usa sobre todo como acondicionador del suelo; en ocasiones se usa como fertilizante, debido a que contiene un 2% de nitrógeno y un 1% de fósforo. 1.7.2 Tratamiento secundario Una vez eliminados de un 40 a un 60% de los sólidos en suspensión y reducida de un 20 a un 40% la DBO por medios físicos en el tratamiento primario, el tratamiento secundario reduce la cantidad de materia orgánica en el agua. Por lo general, los procesos microbianos empleados son aeróbicos, es decir, los microorganismos actúan en presencia de oxígeno disuelto. El tratamiento secundario, emplea y acelera los procesos naturales de eliminación de los residuos. En presencia de oxígeno, las bacterias aeróbicas convierten la materia orgánica en formas estables, como dióxido de carbono, agua, nitratos y fosfatos, así como otros materiales orgánicos. La producción de materia orgánica nueva es un resultado indirecto de los procesos de tratamiento biológico, y debe eliminarse antes de descargar el agua en el cauce receptor. Filtro de goteo En este proceso, una corriente de aguas residuales se distribuye intermitentemente sobre una columna de algún medio poroso revestido con una película gelatinosa de microorganismos que actúan como agentes destructores. La materia orgánica de la corriente de agua residual es absorbida por la película microbiana y transformada en dióxido de carbono y agua. El proceso de goteo, cuando va precedido de sedimentación, puede reducir alrededor de un 85% la DBO. 14 CAPITULO I ANTECEDENTES Fango activado Se trata de un proceso aeróbico en el que partículas gelatinosas de cieno quedan suspendidas en un tanque de aireación. Las partículas de cieno activado, llamadas floc, están compuestas por millones de bacterias en crecimiento activo aglutinadas por una sustancia gelatinosa. El floc absorbe la materia orgánica y la convierte en productos aeróbicos. La reducción de la DBO fluctúa entre el 60 y el 85%.Un importante acompañante en toda planta que use cieno activado o un filtro de goteo es el clarificador secundario, que elimina las bacterias del agua antes de su descarga. Estanque de estabilización o laguna Es el estanque de estabilización o laguna, requiere una extensión de terreno considerable y, por tanto, suelen construirse en zonas rurales. Las lagunas opcionales, que funcionan en condiciones mixtas, son las más comunes, con una profundidad de 0,6 a 1,5 m y una extensión superior a una hectárea. En la zona del fondo, donde se descomponen los sólidos, las condiciones son anaerobias; la zona próxima a la superficie es aeróbica, permitiendo la oxidación de la materia orgánica disuelta y coloidal. Puede lograrse una reducción de la DBO 5 de un 75 a un 85 % [4]. 1.7.3 Tratamiento avanzado de las aguas residuales Si el agua que ha de recibir el vertido requiere un grado de tratamiento mayor que el que puede aportar el proceso secundario, o si el efluente va a reutilizarse, es necesario un tratamiento avanzado de las aguas residuales. A menudo se usa el término tratamiento terciario como sinónimo de tratamiento avanzado, pero no son exactamente lo mismo. El tratamiento terciario, suele emplearse para eliminar el fósforo, mientras que el tratamiento avanzado podría incluir pasos adicionales para mejorar la calidad del efluente eliminando los contaminantes recalcitrantes. Hay procesos que permiten eliminar más de un 99% de los sólidos y reduce la 15 CAPITULO I ANTECEDENTES DBO (demanda bioquímica de oxigeno) en similar medida. Los sólidos disueltos se reducen por medio de procesos como la ósmosis inversa y la electrodiálisis. La eliminación del amoníaco, la desnitrificación y la precipitación de los fosfatos pueden reducir el contenido en nutrientes. Vertido del líquido El vertido final del agua tratada se realiza de varias formas. La más habitual es el vertido directo a un río o lago receptor. En aquellas partes del mundo que se enfrentan a una creciente escasez de agua, tanto de uso doméstico como industrial, las autoridades empiezan a recurrir a la reutilización de las aguas tratadas para rellenar los acuíferos, regar cultivos no comestibles, procesos industriales, recreo y otros usos. El proceso de tratamiento comprende los tratamientos convencionales primario y secundario, seguidos de una limpieza por cal para eliminar los compuestos orgánicos en suspensión. Durante este proceso, se crea un medio alcalino (pH elevado) para potenciar el proceso. En el paso siguiente se emplea la recarbonatación para volver a un pH neutro. A continuación se filtra el agua a través de múltiples capas de arena y carbón vegetal, y el amoníaco es eliminado por ionización. Los pesticidas y demás compuestos orgánicos aún en suspensión son absorbidos por un filtro granular de carbón activado. Los virus y bacterias se eliminan por ozonización. En esta fase el agua debería estar libre de todo contaminante pero, para mayor seguridad, se emplean la segunda fase de absorción sobre carbón y la ósmosis inversa y, finalmente, se añade dióxido de cloro para obtener un agua de calidad máxima. Fosa séptica Un proceso de tratamiento de las aguas residuales que suele usarse para los residuos domésticos es la fosa séptica: una fosa de cemento, bloques de ladrillo o metal en la que sedimentan los sólidos y asciende la materia flotante. El líquido aclarado en parte fluye por una salida sumergida hasta zanjas subterráneas llenas 16 CAPITULO I ANTECEDENTES de rocas a través de las cuales puede fluir y filtrarse en la tierra, donde se oxida anaeróbicamente. La materia flotante y los sólidos depositados pueden conservarse entre seis meses y varios años, durante los cuales se descomponen anaeróbicamente [5]. 1.8 Fotocatálisis La fotocatálisis es un proceso catalítico promovido por energía de determinada longitud de onda, capaz de excitar a un semiconductor (catalizador) al grado de hacer que se comporte como un material conductor, en la superficie del cual se desarrollarán reacciones de oxido-reducción, las cuales generan radicales libres muy reactivos, mismos que reaccionarán con las especies a su alrededor, rompiendo algunos enlaces moleculares y reduciendo u oxidándolas hasta convertirlas en especies menos complejas. Esta reducción en la complejidad molecular generalmente se traduce en una reducción del grado de contaminación o peligrosidad de la especie que se esté tratando. La excitación del semiconductor se puede llevar a cabo de dos formas: Por excitación directa del semiconductor, de manera que éste es el que absorbe los fotones usados en el proceso. Por excitación inicial de moléculas adsorbidas en la superficie del catalizador, las que a su vez son capaces de inyectar cargas (electrones) en el semiconductor. El proceso de la fotocatálisis se representa en la figura 1.3. Los procesos químicos ocurren en una partícula de semiconductor cuando ésta es excitada con luz suficientemente energética. En estas condiciones, se crean pares electrón-hueco cuya vida media está en el rango de los nano segundos; en ese lapso deben migrar a la superficie y reaccionar con especies adsorbidas. Los pares electrónhueco que no alcanzan a separarse y a reaccionar con especies en la superficie se recombinan y la energía se disipa. 17 CAPITULO I ANTECEDENTES Esta recombinación puede tener lugar tanto en la superficie como en el seno de la partícula (procesos E y g, respectivamente). El proceso neto es la catálisis de la reacción entre el oxidante A y el reductor D (por ejemplo, O2 y materia orgánica). Figura 1.3 Proceso fotocatalítico. Fuente: O.Carp, C.L. Huisman, A. Reller. Progress in Solid State Chemistry 32 (2004). Los semiconductores constituyen una amplia clase de materiales cuya conductividad eléctrica aumenta con la temperatura y es significativamente menor que la de los metales. Los principales aspectos en la fotocatálisis son: la generación de pares electrón-hueco por absorción de fotones y la distribución de estados electrónicos en la superficie. La fotocatálisis heterogénea, a diferencia de la mayoría de los procesos fotoquímicos, no es selectiva y puede emplearse para tratar mezclas complejas de contaminantes. Por otro lado, la posibilidad de la utilización de la radiación solar como fuente primaria de energía, le otorga un importante y significativo valor medioambiental; el proceso, constituye un claro ejemplo de tecnología sostenible [6]. 18 CAPITULO I ANTECEDENTES Lámparas de luz ultravioleta (UV) En un alto porcentaje de estudios sobre fotocatálisis se emplean lámparas como fuente de luz. Los aspectos abordados incluyen estudios específicos de la degradación de muy diversos contaminantes, la caracterización de nuevos catalizadores, incluyendo TiO2 en sus variantes así como la investigación sobre aspectos fundamentales de la fotocatálisis. Las lámparas más empleadas son de mercurio, xenón y los denominados simuladores solares. Estas lámparas proporcionan luz en un rango de longitudes de onda por debajo de los 400 nm, esencial para la excitación del catalizador. Algunas lámparas proporcionan luz monocromática y otras un intervalo de longitudes de onda; en ocasiones se usan filtros a fin de obtener luz monocromática. El empleo de lámparas permite la caracterización precisa del tipo e intensidad de luz que se obtiene, sea por actinometría o mediante radiómetros. Existen varios sistemas comerciales basados en los distintos tipos de lámparas indicados anteriormente. 1.9 Catalizadores Un catalizador es una sustancia química, simple o compuesta, que modifica la velocidad de una reacción química, interviniendo en ella pero sin llegar a formar parte de los productos resultantes de la misma. Los catalizadores se caracterizan con arreglo a las dos variables principales que los definen: la fase activa y la selectividad. La actividad y la selectividad, e incluso la vida misma del catalizador, depende directamente de la fase activa utilizada, por lo que se distinguen dos grandes subgrupos: los elementos y compuestos con propiedades de conductores electrónicos y los compuestos que carecen de electrones libres y son, por lo tanto, aislantes o dieléctricos. La mayoría de los catalizadores sólidos son los metales o los óxidos, sulfuros y haloideos de elementos metálicos y de semimetalicos como los elementos boro aluminio y silico. 19 CAPITULO I ANTECEDENTES Características de los catalizadores empleados en la oxidación En la selección de un catalizador para que su uso sea el adecuado en la oxidación en fase acuosa debe de cumplir con ciertos aspectos. 1. La velocidad de oxidación debe de ser muy elevada 2. Debe de ser muy selectivo y muy activo para su oxidación 3. Debe de ser resistente a los venenos que se encontrara en su proceso o bien en los que existen en el medio 4. Su actividad química debe de ser prolongada 1.9.1 Dióxido de Titanio (TiO2) El dióxido de titanio es un compuesto cuya fórmula es TiO2. Es utilizado en los procesos de fotocatálisis. Se encuentra comúnmente en una forma negra o de color castaño conocida como rutilo. Las formas naturales que se encuentran en menor cantidad en la naturaleza son la anatasa y la broquita. Tanto el rutilo como la anatasa puros son de color blanco. El oxido básico negro, FeTiO 3, se encuentra en forma natural como el mineral llamado ilmenita; este es la principal fuente comercial del titanio. En la figura 1.4 se muestran las estructuras del TiO2. Figura 1.4 Estructura cristalina de rutilo (a), anatasa (b) y brookita (c) Fuente: O.Carp, C.L. Huisman, A. Reller. Progress in Solid State Chemistry 32 (2004) 20 CAPITULO I ANTECEDENTES a) Propiedades generales (TiO2) El dióxido de titanio es un semiconductor sensible a la luz que absorbe radiación electromagnética cerca de la región UV. Es anfótero, muy estable químicamente y no es atacado por la mayoría de los agentes orgánicos e inorgánicos. Se disuelve en ácido sulfúrico concentrado. La estructura cristalina del TiO2 más estable termodinámicamente es la estructura de rutilo. Sin embargo, la estructura que presenta mayor actividad fotocatalítica es la anatasa, que es utilizada de manera habitual para aplicaciones de descontaminación ambiental. El óxido de titanio nanométrico con predominio de la fase anatasa, es el material más comúnmente usado en fotocatálisis. También es el precursor usual en la preparación de catalizadores soportados. Existen diversos proveedores que ofrecen dióxido de titanio particulado; la Tabla 1.1 resume algunas de las propiedades del Dióxido de Titanio (TiO2) de diversos proveedores. Tabla 1.1 Características del TiO2 Proveedor Diámetro de la Diámetro de los Área superficial por unidad partícula (nm) agregados (nm) Aldrich 150-200 300 9.6 Marck 100-200 300 10 Fisher 100-300 400 8.8 Fluka 100-400 370 9.2 Degussa 30-90 700 48 Hombikat 80-100 900 35.2 ---------------- ---------------- 230 de masa (m2/g) Kamira 5230 Fuente: M.I. Cabrera, O.M. Alfano y A.E. Cassano, J. Phys. Chem., 100, 20043, (1996). 21 CAPITULO I ANTECEDENTES b) Aplicaciones Sus aplicaciones abarcan todas las industrias como se puede ver en los siguientes ejemplos: Se utiliza para darle color a artículos de plástico como juguetes, electrónicos, automóviles, muebles, empaque, etc. El pigmento funciona como un filtro el cual absorbe parte de la radiación UV protegiendo a su contenido. Tiene aplicaciones en las fibras sintéticas, eliminando la apariencia grasosa causada por las propiedades translúcidas de la resina. Los pigmentos de anatasa son preferidos en esta aplicación. Se utiliza en la degradación de compuestos orgánicos volátiles, como el fenol, en aguas residuales y gases [6]. 22 CAPITULO II METODOLOGIA CAPITULO II METODOLOGIA Se realizó la degradación de colorantes comerciales azul de metilo, naranja de metilo y rojo Congo. La degradación se llevo a cabo utilizando luz UV, TiO 2 como catalizador. El seguimiento de cada una de las reacciones se llevo mediante un espectrofotómetro Varian Cary 50. 2.1 Sistema de degradación La evaluación catalítica se llevó a cabo en un sistema de oxidación (figura 2.1) el cual consta de un reactor tipo batch, lámpara UV. El sistema esta provisto de agitación constante, lo cual permite tener un mejor contacto entre la solución acuosa CO T 2 UV LAMPARA DE LUZ ULTRAVIOLETA R REACTOR U V A AGITADOR R T TOMA DE MUESTRA AA Figura 2.1 Componentes del sistema de reacción El sistema de reacción utilizado en la degradación de colorantes de tipo comercial consta de una caja de madera de 40 X 40cm., la cual está recubierta interiormente con espejos con el fin de reflejar la luz UV y aprovecharla al máximo, la tapa de la 24 CAPITULO II METODOLOGIA caja posee tres orificios (para toma de muestra, colocación de la lámpara y venteo de CO2). El sistema también está provisto de agitación constante, mediante una parrilla de agitación y un agitador magnético. Las reacciones se llevaron a cabo en un reactor tipo batch, el cual contiene 250 mL de la muestra a tratar con una concentración de 15 ppm de colorante comercial, y en la parte superior del reactor se encuentra una manguera de plástico para realizar las tomas de muestra, los intervalos de muestreo son cada 10 min para observar el comportamiento de la degradación con lo cual se procede a elaborar un gráfico de tiempo vs % de degradación. La lámpara UV utilizada (AQUA advantage-2 de 25 watts) está situada fuera del reactor, insertada en la tapa de la caja. Las condiciones en las que opera y se muestra en la tabla 2.1: Tabla 2.1 Condiciones de operación Variable Condición Temperatura 30 °C Presión Atmosférica Concentración de 15 ppm Colorante Volumen de agua 500 mL Tiempo de reacción 6 hrs Longitud de onda Se determina de acuerdo al colorante a utilizar 2.2 Espectrofotometría Este es un método que se refiere a la medición de la luz que es transmitida a través de un medio. Estas mediciones de intensidad de luz transmitida por la muestra el cual se denomina (Is), el cual se encuentra relacionado con la 25 CAPITULO II METODOLOGIA intensidad de luz transmitida por el material de referencia a su vez también llamado “blanco”. La transmitancia tendrá la relación entre Is/Ir. Por la ley de Beer-lambert, la transmitancia (T) está relacionada proporcionalmente con la concentración (C) de la sustancias absorbentes y donde la longitud del paso de luz (b) a través de la muestra que se utilizará. Como se muestra en la ecuación 2.2 T = Is/Ir = 10- abc (2.2) Donde: T= Transmitancia a= Coeficiente de absorción Is= Intensidad de luz transmitida por la muestra b= Longitud del paso de luz Ir= Intensidad de luz transmitida por el material c= Concentración Para mediciones realizar y llevar a cabo todas las se necesita un espectrofotómetro, que reúna las características adecuadas para una buena determinación de los parámetros, ya que servirá para aplicar el método del análisis óptico, que permitirá comparar la radiación absorbida o transmitida por una solución que contiene una cantidad desconocida de soluto, y una que contiene una cantidad conocida de la misma sustancia. En este principio se basa el espectrofotómetro Varian Cary 50, el cual servirá para efectuar el análisis de las muestras que se tomen durante el avance de la reacción y así poder determinar la cantidad de colorante que se tiene a medida que transcurre la reacción. Por lo cual es importante conocer la operación de dicho equipo. 26 CAPITULO II METODOLOGIA 2.3 Preparación de muestras para análisis 1. Preparar una solución madre de 1000 ppm. 2. Tomar de la muestra base (15 ppm) para realizar el barrido, estos mismos serán leídos en el espectrofotómetro (Varian Cary 50) para determinar la longitud de onda de la muestra a leer. 3. Una vez obteniendo la longitud de onda adecuada se procede a tomar de la muestra base 15 ppm respectivamente y se coloca en un matraz y se afora a 500 mL. 4. Realizar una curva de calibración. 5. Leer las muestras por triplicado del avance de la reacción. Para la degradación de una muestra de colorante es importante que las muestras antes de ser leídas en el espectrofotómetro estén completamente libres de sólidos para evitar tener errores en las lecturas [8]. 2.4 Barrido para la determinación de longitud de onda de los colorantes azul de metilo, naranja de metilo y rojo congo, para su posterior degradación. Para la determinación de la longitud de onda de los colorantes se realizó un barrido con una muestra acuosa, la cual se colocó en una celda de cuarzo que posteriormente se colocó en un porta celda para ser leída en el espectrofotómetro VARIAN CARY 50. 27 CAPITULO III RESULTADOS CAPITULO III RESULTADOS 3.1 Determinación de la longitud de onda de los colorantes. Para poder realizar las pruebas de degradación de los colorantes que más se emplean en el laboratorio de química orgánica de la Facultad de Ciencias Químicas se requiere conocer la longitud de onda a la cual será leída la muestra en el espectrofotómetro (Espectrofotómetro Varían Cary 50), por lo cual se realizó un barrido de longitud de onda para cada uno de los colorantes (azul de metileno, naranja de metilo y rojo congo). Las longitudes de onda obtenidas de cada unos de los colorantes se muestran en la tabla 3. Tabla 3.1 Datos obtenidos del barrido de los colorantes. Colorante Longitud de onda (nm) Azul de metilo 665 Naranja de metilo 470.1 Rojo congo 230 Para verificar el seguimiento de la reacción de degradación de cada uno de los colorantes se tuvo que realizar una curva de calibración para cada colorante con una concentración máxima de 15 ppm. 28 CAPITULO III RESULTADOS 3.2 Decoloración de colorantes. En la figura 3.1 se muestra el proceso de degradación del azul de metileno empleando 15 ppm en presencia de luz UV y 0.45 g de TiO 2 como catalizador en AZUL DE METILENO (PPM) un medio intermitente de reacción. TIEMPO (HORAS) Figura 3.1 Proceso de degradación de azul de metileno en presencia de luz UV y TiO2 como catalizador a temperatura ambiente y presión atmosférica. Se observa que el proceso de degradación es efectivo ya que logra degradar el azul de metileno a las 6 horas de reacción y con ello disminuir la contaminación con este tipo de colorante proveniente del laboratorio de química orgánica. 29 CAPITULO III RESULTADOS Tabla 3.2 Degradaciones de azul de metileno en presencia de TiO2 y luz UV. TIEMPO PPM PORCENTAJE (%) (HORAS) 0 15 0 1 6.45 57 2 5.05 66 3 2.92 80 4 1.48 90.1 5 1.43 90.4 6 0.15 99 Se obtuvo el 99 % en la hora seis, comprobando que es efectivo el catalizador TiO2 ya que en la primera hora se obtuvo el 57 % debido que el catalizador se encontraba en sus primeras horas de uso. En la figura 3.2 se muestra el proceso de degradación del anaranjado de metilo empleando 15 ppm en presencia de luz UV y 0.45 g de TiO 2 como catalizador en un medio intermitente de reacción. 30 RESULTADOS ANARANJADO DE METILO (PPM) CAPITULO III TIEMPO (HORAS) Figura 3.2 Proceso de degradación de anaranjado de metilo en presencia de luz UV y TiO2 como catalizador a temperatura ambiente y presión atmosférica. Se observa que el proceso de degradación es efectivo ya que logra degradar el 92.2 % a las 6 horas de reacción y con ello se logra disminuir la contaminación con este tipo de colorante proveniente del laboratorio de química orgánica. 31 CAPITULO III RESULTADOS Tabla 3.3 Degradaciones de anaranjado de metilo en presencia de TiO2 y luz UV. TIEMPO PPM PORCENTAJE (%) (HORAS) 0 15 0 1 6.009 59 2 5.577 62 3 4.656 68 4 3.744 75 5 2.606 82 6 1.663 88 Se obtuvo el 59 % en la primera hora debido que el catalizador se encontraba en sus primeras horas de uso, conforme transcurrieron las horas se fue aumentando el porcentaje ya que el catalizador TiO2 estaba más desgastado, así comprobando en 88 % de efectividad. En la figura 3.3 se muestra el proceso de degradación del rojo congo empleando 15 ppm en presencia de luz UV y 0.45 g de TiO 2 como catalizador en un medio intermitente de reacción. 32 RESULTADOS ROJO CONGO (PPM) CAPITULO III TIEMPO (HORAS) Figura 3.3 Proceso de degradación de rojo congo en presencia de luz UV y TiO 2 como catalizador a temperatura ambiente y presión atmosférica. Se observa que el proceso de degradación logra degradar el rojo congo en un 69% a las 6 horas de reacción, lo cual disminuye considerablemente la contaminación con este tipo de colorante proveniente del laboratorio de química orgánica. 33 CAPITULO III RESULTADOS Tabla 3.4 Degradaciones de rojo congo en presencia de TiO2 y luz UV TIEMPO PPM PORCENTAJE (%) (HORAS) 0 15 0 1 6.5 56 2 6.25 58 3 5.5 63 4 5 66 5 4.7 68 6 4.65 69 En la hora seis se obtuvo el 69 % comprobando la diferencia que hubo en la primera hora de degradación. 34 CONCLUSIONES CONCLUSIONES Se logró la degradación de los colorantes azul de metileno, naranja de metilo y rojo congo provenientes del laboratorio “A” de química orgánica en presencia de luz UV utilizando TiO2 como catalizador en un medio intermitente de reacción. Se obtuvieron diferentes degradaciones para cada uno de los colorantes destacando que para el azul de metileno se tuvo un 99 % de degradación a 6 horas de reacción, para el anaranjado de metilo se tuvo un 88 % y para el rojo congo un 69 %, lo cual indica que el proceso de degradación es adecuado para el tratamiento de estas aguas coloridas. La presencia de colorantes en el agua proveniente del laboratorio que se utiliza para fines prácticos se convierte en una aportación a la contaminación ambiental la cual debe tratarse para evitar contaminación a las efluentes y con ello evitar interferencia en el ciclo biológico de plantas y animales, es por ello que este proceso se convierte en una alternativa para poder minimizar esta contaminación. Se propone seguir estudiando este tipo de procesos ya que ayudaran a conservar y preservar el medio ambiente y sobre todo a tener más cuidado sobre el uso de este tipo de colorantes. 35 BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFíA 1. U.S. Geological Survey. Consultado el 17 de mayo 2007. Earth's water distribution. 2. Mariano Seoanez Calvo, Ediciones Mundi-prensa Titulo: Aguas residuales urbanas. Tratamientos naturales de bajo costo y aprovechamiento. 3. Metcalf & Eddy, Editorial Mc Graw Hill. Ingeniería de aguas residuales, tratamiento, vertido y reutilización. 4. Rigola L. Miguel. Tratamiento de aguas industriales. 5. Crites Techobanoglous, Sistemas de manejo de aguas residuales para núcleos y descentralizados. Tomo 1. 6. Corporación Iberoamericana, 2003.Eliminación de contaminantes por Fotocatálisis Heterogénea. Cyted, Ciencia y Tecnología Para El Desarrollo. 7. Fuentes S. Díaz G. 1988.Catalizadores. Ed. SER. México. 8. Orozco D.F. 1989. Análisis Químicos Cuantitativo. Ed. Porrúa S.A. México. 36 ANEXO A ANEXO A Operación del espectrofotómetro Varian Cary 50 Procedimiento de operación se describe a continuación: 1. Encender el equipo, se deberá esperar a que se ejecute completamente el inicio de arranque del equipo antes de analizar las muestras. 2. Seleccionar la longitud de onda en la que se operará las muestras. 3. Posteriormente, ya una vez que se ejecutó completamente el equipo se procedió a introducir una celda perfectamente limpia con agua destilada en el compartimiento de la muestra se da click en el botón de CERO. 4. Al sacar la celda, la lectura en la pantalla debe retornar a un valor de cero. 5. Después del ajuste a cero, introduzca la celda conteniendo la muestra y dar click en el botón de INICIO a la posición. Tomar la lectura de la pantalla. 6. En caso de tener distintas lecturas de muestras y si se observa una variación de más de 0.2 unidades se deberá volver a realizar el análisis. 7. Al término del análisis apagar el equipo correctamente. Es decir, ir al menú Inicio – Apagar el equipo. Espectrofotómetro Para esta determinación se utilizó el comando SCAN que permite hacer un barrido de una longitud de 200- 800 nm y con ello lograr la mayor absorbancia de los colorantes. 37
