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APLICACIÓN DE LAAPLICACIÓN DE LAFOTOCATÁLISIS SOLARFOTOCATÁLISIS SOLAR

A LAA LA DEPURACIÓN DE DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES DE AGUAS RESIDUALES DE

LA INDUSTRIA TEXTILLA INDUSTRIA TEXTIL

DEPARTAMENTO DE DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA TEXTIL Y INGENIERÍA TEXTIL Y

PAPELERAPAPELERA

GRUPO DE PROCESOS DE GRUPO DE PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADAOXIDACIÓN AVANZADA

¿Necesidad de ¿Necesidad de tratamientos tratamientos alternativos?alternativos?

Desarrollo Desarrollo de nuevas de nuevas

tecnologías tecnologías de de

depuracióndepuración.

••La creciente La creciente demanda de la demanda de la sociedadsociedad para la para la descontaminación descontaminación de sus aguas. de sus aguas. ••Regulaciones cada Regulaciones cada vez más estrictas. vez más estrictas. ••Procesos de Procesos de depuración depuración insuficientes.insuficientes.

¿Qué es la ¿Qué es la fotocatálisisfotocatálisis solar?solar?

Tecnologías de oxidación Tecnologías de oxidación AvanzadaAvanzada

• Procesos no Fotoquímicos• Procesos Fotoquímicos

Procesos no fotoquímicos

Tecnologías de oxidación Tecnologías de oxidación AvanzadaAvanzada

Ozonización (O3), (O3/H2O2) Procesos Fenton

(Fe2+/H2O2) y relacionados

Oxidación Húmeda Oxidación

electroquímica

Otros: Ultrasonidos, plasma, haces deelectrones

Procesos fotoquímicos

Tecnologías de oxidación Tecnologías de oxidación AvanzadaAvanzada

Foto-Fenton(Fe2

+/H2O2 + luz) y relacionadas

Fotocatálisisheterogénea.

Radiación Ultravioleta (UV)

UV/ (H2O2 /O3)

Ventajas de las Tecnologías de Ventajas de las Tecnologías de oxidación avanzadasoxidación 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 Ventajas de las Tecnologías avanzadas de oxidaciónavanzadas 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 SOLARFOTOCATALISIS SOLAR

• Técnica de depuración de aguas residuales consistente en aplicar la energía solar para conseguir la degradación de los contaminantes por oxidación.

LIMITACIONES LIMITACIONES AOPsAOPsFOTOQUIMICAS con LUZ UVFOTOQUIMICAS 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 SOLARFOTOCATÁLISIS SOLAR

Contaminantesensibilizador

hν

• La fotocatálisis es un proceso que se basa en la absorción directa o indirecta de energía radiante (visible o UV) por el sensibilizador.

• El fotocatalizadores capaz de absorber la energía solar emitida, podrá capturar fotones y alcanzar estados electrónicos excitados.

hν

+BV

-BC

sensibilizador

• Cuando estos estados electrónicos excitados se desactivan, se genera una especie orgánica agresiva que será la encargada de atacar la materia orgánica iniciando su degradación oxidativa

Contaminante

hν

+BV

-BC

ContaminanteOxidado

sensibilizador

Elementos necesarios Elementos necesarios para la para la FotocatálisisFotocatálisis SolarSolar

• Luz: Solar.Solar.• Sustrato (contaminante).(contaminante).• Oxidante: Aire, OAire, O22, H, H22OO22, S, S22OO88

22-.• Fotocatalizador: TiOTiO22, Fe, Otros, Fe, Otros

metales. (Cu, Cr...), Catalizadores metales. (Cu, Cr...), Catalizadores Orgánicos soportados.Orgánicos soportados.

TECNOLOGIAS TECNOLOGIAS FOTOQUIMICAS SOLARESFOTOQUIMICAS SOLARES

• FOTOCATALISIS SOLAR:

– FOTO-FENTON– FOTOCATALIZADORES

HETEROGENEOS

PROCESO FOTOPROCESO FOTO--FENTONFENTON

• El reactivo de Fenton consiste en :Fe Fe 2+2+ ++ HH22OO2 2 →→ Fe Fe 3+3+ ++ OHOH-- ++ HOHO··

• 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 Fe 3+3+ + hν + OHOH-- → Fe Fe 2+2+ + HOHO··

REACTIVOS empleados en REACTIVOS empleados en FOTOFOTO--FENTONFENTON

• Peróxido de Hidrógeno: HH22OO22

• Catalizador: Fe (Otros metales).Fe (Otros metales).• Oxidante: Oxígeno atmosférico.Oxígeno atmosférico.• Energía: Luz solar.Luz solar.

VENTAJAS E INCONVENIENTES VENTAJAS E INCONVENIENTES DE FOTODE FOTO--FENTONFENTON

•• VENTAJASVENTAJAS:– Técnica poco específica.– Posibilidad de degradación de gran

variedad de contaminantes: Colorantes, Tensioactivos...

•• INCONVENIENTESINCONVENIENTES: – Elevado consumo de peróxido de

hidrógeno.

FOTOCATALIZADORES FOTOCATALIZADORES HETEROGENEOSHETEROGENEOS

• TiO2

• FOTOCATALIZADORES ORGANICOS SOPORTADOS

en zeolitas, sepiolitas...

Control del proceso de Control del proceso de FotocatálisisFotocatálisis

• Demostrar degradación de compuestos iniciales e intermedios indeseables que se generen.

Medios de Control del Medios de Control del proceso de Fotocatálisisproceso 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 Tecnologías basada en el uso de radiación solaruso de radiación solar

• Colectores cilindro-parabólico compuestos (CPC)(CPC)orientados al sur con una inclinación = latitud local.

Colectores CPCColectores 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 Tratamiento de agua por DetoxificaciónDetoxificación solarsolar

Filtro

Contactor gas-líquido

Colector solar

Aditivos Recirculación

Uso posterior

SUGERENCIA PARA SUGERENCIA PARA APLICACIÓN VIABLE DE APLICACIÓN VIABLE DE

ESTA TECNOLOGIAESTA TECNOLOGIA

SUGERENCIASSUGERENCIAS•• No es conveniente intentar una No es conveniente intentar una

mineralización total.mineralización total.•• El objetivo del tratamiento debe ser El objetivo del tratamiento debe ser

aumentar la relación DBO/DQO.aumentar la relación DBO/DQO.•• Se debe acoplar a un tratamiento biológico.Se debe acoplar a un tratamiento biológico.•• La presencia de algunos iones puede La presencia de algunos iones puede

influir.influir.

Acoplamiento FotocatálisisAcoplamiento Fotocatálisis--Tratamiento biológicoTratamiento biológico

• Al tratar compuestos no biodegradables no es necesario alcanzar 100% de mineralización, basta con basta con aumentar su aumentar su biodegradabilidadbiodegradabilidad.

Posibilidades de aplicación Posibilidades de aplicación de la Fotocatálisisde 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 Tecnologías existentes para el tratamiento del agua, en función de la tratamiento del agua, en función de la carga orgánica y del volumen a tratarcarga orgánica y del volumen a tratar

1

10

100

1000

10000

Car

bono

Org

ánic

o To

tal (

mg/

L)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Caudal (m3/h)

Incineración

Oxidación QuímicaProcesos de Oxidación Avanzada

Procesos Biológicos

Oxidación Húmeda Avanzada/ Incineración

Oxidación Húmeda AvanzadaOxidación Húmeda

Procesos Biológicos

Tratamientos Biológicos

OzonoFotocatálisis

H2O2Procesos Biológicos

Aplicaciones potenciales de Aplicaciones potenciales de la Fotocatálisisla 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 ¿EXISTE ALGUN EJEMPLO DE EJEMPLO DE APLICACIÓN APLICACIÓN

INDUSTRIAL DE ESTA INDUSTRIAL DE ESTA TECNOLOGÍA?TECNOLOGÍA?

Aplicaciones IndustrialesAplicaciones 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 paratratamiento.

¿POR¿POR QUQUÉÉ NOS PLANTEAMOS NOS PLANTEAMOS HACER ESTUDIOS DE HACER ESTUDIOS DE

FOTOCATALISIS SOLAR?FOTOCATALISIS SOLAR?

Conveniencia de realizar aquí Conveniencia de realizar aquí estudios de fotocatálisisestudios de fotocatálisis

•• Ubicación geográfica: altos índices de Ubicación geográfica: altos índices de radiación solar durante todo el año.radiación solar durante todo el año.

•• Dificultad de otros países en realizar Dificultad de otros países en realizar investigación real en este campo.investigación real en este campo.

•• Posibilidad de liderar investigación en Posibilidad de liderar investigación en la comunidad Europea.la comunidad Europea.

Planta Piloto de Planta Piloto de detoxificacióndetoxificaciónsolar DITEXPAsolar DITEXPA

• Tratamiento experimental de aguas residuales industriales.

• Con volúmenes de 25-40l y 3m3

de colector solar.

Equipada con radiómetro para ensayar viabilidad de fotodepuraciónen aguas reales midiendo radiación necesaria.

radiómetro

RESULTADOS OBTENIDOSRESULTADOS OBTENIDOS

Ejemplo de aplicación: Ejemplo de aplicación: FotoFentonFotoFenton de un colorante Textilde un colorante Textil

• Preparación de la muestra

Ejemplo de aplicación: Ejemplo de aplicación: FotoFentonFotoFenton de un colorante Textilde un colorante Textil

• Llenado de la planta

Ejemplo de aplicación: Ejemplo de aplicación: FotoFentonFotoFenton de un colorante Textilde un colorante Textil

t=10 minutos

Ejemplo de aplicación: Ejemplo de aplicación: FotoFentonFotoFenton de un colorante Textilde un colorante Textil

t=20 minutos

Ejemplo de aplicación: Ejemplo de aplicación: FotoFentonFotoFenton de un colorante Textilde un colorante Textil

t=30 minutos

Ejemplo de aplicación: Ejemplo de aplicación: FotoFentonFotoFenton de un colorante Textilde un colorante Textil

t=45 minutos

Resultado: aplicación a coloranteResultado: aplicación a colorante

% Degradación p-rosanilina en 1h de reacción

0

50

100

Fe(III) H2O2 Fe(III) + H2O2 Fe(III) + H2O3Oscuridad

OTRO EJEMPLO:OTRO EJEMPLO:

TRATAMIENTO DE UN BAÑO DE TRATAMIENTO DE UN BAÑO DE TINTURA REAL MEDIANTE TINTURA REAL MEDIANTE FOTOCATÁLISIS SOLARFOTOCATÁLISIS SOLARrojo 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 :COMPARACIÓN % REFLECTANCIA

0102030405060708090

400 450 500 550 600 650 700LONGITUD DE ONDA

% R

EFEL

ECTA

NCIA

Muestra Patrón

Muestra 1

COMPARACIÓN ABSORBANCIA

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

400 450 500 550 600 650 700LONGITUD DE ONDA

ABS

ORB

ANC

IA

Muestra Patrón

Muestra 1

No se aprecia diferencia en el color

MuestraPatrón Muestra 1 Incremento

L* 59,9993 60,5808 0,5815a* 48,5516 47,3509 -1,2006b* -5,1529 -5,5286 -0,3757C* 48,8242 47,6726 -1,1517h 353,9418 353,3404 -0,5064

DE*ab 1,3859

Pasa/Nopasa 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 4-5No se aprecia diferencia entre muestra inicial y muestra problema

CONCLUSIÓN:CONCLUSIÓN:

Una aplicación de la Una aplicación de la fotocatálisisfotocatálisis solar es el solar es el reciclado de las aguas de reciclado de las aguas de tintura.tintura.

TRATAMIENTO DE TENSIOACTIVOS TRATAMIENTO DE TENSIOACTIVOS POR FOTOCATALISISPOR FOTOCATALISIS

0 20 40 60

S + H2O2

S + Fe(III) + H2O2

S + Cr(III) + H2O2

S + Cr(VI) + H2O2

S + TiO2 + H2O2

S + TiO2 DBSSDS

Aplicaciones Industriales: Aplicaciones Industriales: Tratamientos de cianurosTratamientos de cianuros

• Empresa del sector de recubrimientos metálicos: Transformación cuantitativa de CN-

en OCN-, que se oxida totalmente a CO2 y NO3-

CNCN-- + 2OH+ 2OH-- ++ 2H2H++BVBV

→→ OCNOCN-- + H+ H22OOOCNOCN-- + 4 O+ 4 O22 + 4 H+ 4 H22O O →→ NONO33

-- + + COCO22 + H+ H22OO22• [CN-] en aguas tratadas = de 0’2 a 20 g/l• Coste: 25 Euros/Kg CN-

• Viabilidad Fotocatálisis: [CN-] < 8 g/l