Revista Lasallista de InvestigacinISSN: 1794-4449marodriguez@lasallista.edu.coCorporacin Universitaria LasallistaColombia

Garcs Giraldo, Luis Fernando; Meja Franco, Edwin Alejandro; Santamara Arango, Jorge JulinLa fotocatlisis como alternativa para el tratamiento de aguas residualesRevista Lasallista de Investigacin, vol. 1, nm. 1, junio, 2004, pp. 83-92

Corporacin Universitaria LasallistaAntioquia, Colombia

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=69511013

Cmo citar el artculo

Nmero completo

Ms informacin del artculo

Pgina de la revista en redalyc.org

Sistema de Informacin CientficaRed de Revistas Cientficas de Amrica Latina, el Caribe, Espaa y Portugal

Proyecto acadmico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

Artculo de Revisin

Resumen

Para la minimizacin de los impactos causados enlos recursos hdricos por las industrias, en los ltimosaos se han implementado los procesos de oxidacinavanzada (POA) como una alternativa tecnolgica-mente viable y novedosa para el tratamiento de losefluentes lquidos de dichas empresas. Los POA con-sisten bsicamente en la formacin de radicaleshidrxilo altamente oxidantes, los cuales contribuyena la mineralizacin total de los compuestos contami-nantes presentes en los efluentes industriales. Entrelos procesos ms utilizados se encuentra lafotocatlisis que consiste en la aceleracin de unafotoreaccin mediante un catalizador. En el presenteartculo se realiza una revisin de los POA, concen-trndose en los procesos de fotooxidacin.

Palabras Clave: oxidacin, tratamiento de losefluentes, fotlisis, fotocatlisis, fotooxidacin.

La fotocatlisis como alternativa para el tratamientode aguas residuales

Luis Fernando Garcs Giraldo 1 / Edwin Alejandro Meja Franco 2 / Jorge Julin Santamara Arango 3

1 Ingeniero Sanitario. Especialista en Cuencas Hidrogrficas. Especialista en Ingeniera Ambiental. Magster en Ingeniera

Ambiental. Decano Facultad de Ingeniera Ambiental, Corporacin Universitaria Lasallista. / 2 Estudiante Ingeniera Ambiental,Corporacin Universitaria Lasallista / 3 Estudiante Ingeniera Ambiental, Corporacin Universitaria Lasallista

Correspondencia: Luis Fernando Garcs Giraldo. e-mail: lugarces@lasallista.edu.co

Lnea de investigacin: Tratamiento de Aguas. Semillero de investigacin en Gestin y Medio Ambiente SIGMA

Photocatalysis as an alternative to treart waste water

Abstract

To minimize the impacts caused by industries in watersources, the advanced oxidation processes (POA inSpanish) have been established as a technologicallypossible and really new alternative to treat the liquidwaste produced by those industries.

The POA are, basically, forms of hydroxyls radicalshighly oxidative, and they contribute to the totalmineralization of the contaminant compoundscontained in industrial liquids wastes. Among the mostused processes we have photo catalysis, which is anacceleration of a photo reaction by the use of acatalyzer. In this article we make a review of the POA,focusing on the photo oxidation processes.

Key words: Oxidation, liquid waste treatment,photolysis, photo catalysis, photo oxidation.

Introduccin

La necesidad de preservar el medio ambiente hallevado a la bsqueda de nuevos mtodos para laeliminacin eficiente de los compuestos qumicosque alteran la estabilidad de nuestros recursos.La contaminacin del agua es un hecho de granimportancia ya que los contaminantes puedenacumularse y transportarse tanto por las aguassuperficiales como subterrneas para las cualesla fuente principal de dao son las aguas residua-les municipales e industriales.

La proteccin y conservacin de los recursos na-turales constituyen hoy en da una de las princi-

pales preocupaciones sociales. Entre estos re-cursos se destaca en primer lugar el agua comoun bien preciado y escaso, lo que conduce a suadecuado uso y reciclaje, debido a que las nor-mas legales imponen criterios cada vez ms es-trictos para obtener una mayor y mejor depura-cin de las aguas que estn contaminadas conaltas concentraciones de pesticidas, metales pe-sados y colorantes, entre otros contaminantes.

El tratamiento de los residuos lquidos puede serun problema muy complejo debido a la gran va-riedad de qumicos y sus niveles de concentra-cin, pero gracias a las investigaciones realiza-das acerca de los efectos de ciertos contaminan-

tes, se han generado nuevas tecnologas entrelas cuales cabe mencionar el tratamiento de oxi-dacin fotocataltico, el cual presenta una ventajasobre las tcnicas comnmente utilizadas comoel tratamiento primario y secundario. Estos trata-mientos, en especial los secundarios, permitendisminuir la alta carga orgnica bajando la DQOy la DBO de los efluentes, pero son ineficaces enla eliminacin del color y toxicidad debido a la pre-sencia de estructuras polifenlicas. Por otro lado,estos tratamientos son muy sensibles a los par-metros de operacin tales como pH, temperaturay presencia de txicos que pueden inhibir la acti-vidad microbiolgica.1, 2

Por su parte, la oxidacin fotocataltica consisteen la destruccin de los contaminantes medianteel empleo de radiacin solar ultravioleta y cataliza-dores con el objeto de formar radicales hidroxilo,los cuales posteriormente tendrn un efecto oxi-dante sobre los contaminantes qumicos. En esteproceso la oxidacin tiene lugar directamente enla superficie de la partcula que se utiliza comocatalizador o semiconductor (TiO2, entre otros),siendo la radiacin solar la nica fuente de ener-ga. La fotocatlisis heterognea mediada por TiO2y la fotooxidacin mediada por compuestos frri-cos son dos alternativas atractivas para el trata-miento de aguas.2 - 4

Procesos de oxidacin avanzada

La oxidacin avanzada

Los procesos de oxidacin avanzada (POA) cons-tituyen en el futuro una de las tecnologas ms uti-lizadas en el tratamiento de las aguas contamina-das con productos orgnicos recalcitrantes prove-nientes de industrias (qumicas, agroqumicas, tex-tiles, de pinturas, etc.). Entre estos procesos losde mayor perspectiva son los de la fotooxidacinen sus dos variantes: fotlisis y fotocatlisis.3, 5-11

Los POA pueden definirse como procesos queimplican la formacin de radicales hidroxilo (OH)altamente reactivos ya que presentan un elevadopotencial de oxidacin (E = 2.8 V), caractersticaque lo hace de gran efectividad para el procesode oxidacin de compuestos orgnicos principal-mente por abstraccin de hidrgeno; es decir, segeneran radicales orgnicos libres (reaccin 1),los cuales pueden reaccionar con oxgeno molecu-

lar para formar peroxiradicales (reaccin 2). In-cluso pueden iniciarse reacciones de oxidacinen serie que pueden conducir a la mineralizacincompleta de los compuestos orgnicos.3, 6, 12

Las ventajas de los POA son:3, 7-11

Capacidad potencial para llevar a cabo una profun-da mineralizacin de los contaminantes orgnicosy oxidacin de los compuestos inorgnicos hastadixido de carbono e iones (cloruros, nitratos).

Reactividad con la mayora de compuestos or-gnicos, hecho principalmente interesante si sequiere evitar la presencia de subproductos po-tencialmente txicos presentes en los contami-nantes originales que pueden crearse median-te otros mtodos.

Descomposicin de los reactivos utilizadoscomo oxidantes en productos inocuos.

La radiacin solar y aplicaciones en la fotoca-tlisis

A partir del siglo XX la interaccin de la materiacon la luz se realiza desde el punto de vista mi-croscpico, considerndola como un proceso deabsorcin de un fotn que conlleva la creacin deun par electrn-hueco o la emisin o destruccinde un fotn creando excitaciones. La materiapuede interactuar con la luz en un amplio rangode longitudes de onda y con diversos cambios enla estructura de las molculas. Las radiacionescerca al espectro visible o ultravioleta (240-700nm)interactan con los electrones de una molcula yestas reacciones son las ms importantes desdeel punto de vista ambiental. 12

La luz solar es una energa directa, primaria, abun-dante y barata que en muchos casos es absorbi-da por compuestos qumicos para producir pro-cesos fotolticos. La interaccin de la luz con lossistemas moleculares se da a escala moleculardonde sta interacta con un fotn (reaccin 3),en la que A representa el estado fundamental dela molcula, hv es el fotn absorbido y A la mol-cula en estado excitado. 12

OH + RH R +H2O Reaccin 1R + O2 RO2 productos + CO2 Reaccin 2

A + hv A Reaccin 3

Si los radicales libres (R) reaccionan con el ox-geno, forman radicales peroxilo (ROO) los cua-les son bastante estables. Si el oxgeno disueltoes ausente o insuficiente, estos radicales librespueden reaccionar bien por recombinacin odismutacin. 3

La fotooxidacin

La luz promueve reacciones de oxidacin inicia-das por la presencia de radicales libres. Para queestos procesos se lleven a cabo es necesaria lapresencia de agentes oxidantes, los que permi-ten la formacin de dichos radicales, de los cua-les los ms reconocidos y utilizados son el perxi-do de hidrgeno, el ozono, etc. Entre los distin-tos procesos de aplicacin para el tratamiento deaguas, la combinacin de radiacin ultravioleta yel perxido de hidrgeno es muy interesante cuan-do se desea un agua con un alto grado de pure-za. Este POA implica la formacin de radicaleshidroxilo. Como se mencion anteriormente, elperxido de hidrgeno es un potente agente oxi-dante no selectivo y una excelente fuente de radi-cales libres; es adems un aditivo deseable ecol-gicamente ya que durante su descomposicinnicamente se genera agua y/o oxgeno. Desdefinales de los aos sesenta muchos autores handemostrado el xito de la fotooxidacin con per-xido de hidrgeno. El xito del proceso radica enla formacin estequiomtrica de radicales hidroxilo(OH) a partir de la descomposicin fotocatalticadel H2O2. 3, 8

El mecanismo ms normalmente aceptado parala fotlisis de H2O2 es la ruptura del enlace O-Opor la accin de la luz ultravioleta.3, 6

El rendimiento cuntico de este proceso es muyelevado, formndose como mximo dos radica-les hidroxilo, e invariable con la longitud de ondaaplicada. Al igual que en la fotlisis, a partir delos (OH) se forman los radicales C-centrados queen presencia de oxgeno forman radicales peroxilointermedios, claves en las reacciones de oxida-cin y la completa mineralizacin de los compues-tos. Los radicales reaccionan con la materia or-gnica segn las reacciones de abstraccin delhidrgeno (reaccin 11), adicin (reaccin 12) y

La fotlisis

Los mtodos fotolticos para la degradacin de con-taminantes disueltos en el agua se basan en pro-porcionar energa a los compuestos qumicos enforma de radiacin, que es absorbida por las distin-tas molculas para alcanzar estados excitados enel tiempo necesario para experimentar reacciones.6

En presencia de radiacin ultravioleta se producela fotlisis de un gran nmero de compuestos or-gnicos. El proceso tiene lugar en el dominio delUV-C (210 230nm) y se basa en la formacinde radicales C-centrados; es decir, radicales libres(reaccin 3). 3, 8, 10,12

La eficiencia del proceso depende principalmen-te de la capacidad de absorcin de radiacin y dela presencia de otros compuestos que absorbenla misma longitud de onda. En los procesos deoxidacin fotolticos normalmente se utilizan lm-paras de mercurio de baja presin (254nm, 471KJ/mol) empleadas tanto en la desinfeccin comoen la depuracin de las aguas. Sin embargo esnecesario llevarlas a longitudes de onda ms ba-jas (170-200nm), ya que llevan asociada unamayor energa (704-598 KJ/mol) y son ms efi-cientes en la ruptura de los enlaces de los com-puestos orgnicos. 3, 8, 12

Igualmente, la eficiencia de degradacin de com-puestos a partir de la luz absorbida se mide a tra-vs del rendimiento cuntico, el cual se define comola relacin entre el nmero de molculas quereaccionan y el nmero de fotones absorbidos.6, 12, 13

Un aspecto a tener en cuenta es la presencia deoxgeno en el proceso de oxidacin. Se ha pro-bado en la fotlisis la existencia de diferentesreacciones en funcin de la distancia a la fuentede radiacin, debido a la diferente concentracinde oxgeno presente. Durante el proceso defotlisis de la materia orgnica se presentan lassiguientes reacciones:3

H2O + hv H + OH Reaccin 4HO + RH H2O +R Reaccin 5R + O2 ROO Reaccin 6R + R R-R Reaccin 7ROO + O2 CO2 +H20 + .. Reaccin 8H + O2 HO2 Reaccin 9

H2O2 + hv OH + OH Reaccin 10

HO + RH R + H2O Reaccin 11X2C=CX2 +HO X2C(HO)-CX2 Reaccin 12HO + RX OH + XR Reaccin 13

por las reacciones de transferencia de electrones(reaccin 13).3

Cabe anotar que los radicales hidroxilo noreaccionan, o lo hacen lentamente, con alcanospoli, per-clorados o fluorados ya que no puedengenerarse radicales C-centrados por abstraccindel hidrgeno. 3

Fotocatlisis con reactivo Fenton

La adicin de sales de hierro como catalizador enpresencia de perxido de hidrgeno, conocidacomo reactivo Fenton, es uno de los mtodos cl-sicos de produccin de radicales hidroxilo resul-tando as uno de los agentes oxidantes ms po-tentes a pH cidos (pH 3 5). El hierro puedeser aadido como sal ferrosa o frrica. Estos ra-dicales inician una cadena de reacciones paraeliminar toda la materia oxidable. 3, 6, 8, 14, 15

Recientemente se ha descubierto cmo lareaccin UV/visible acelera las reacciones fenton(H2O2/Fe3+, Fe2-), favorecindose as la degrada-cin de contaminantes orgnicos, incluidos com-puestos aromticos y alifticos. Este reactivo pre-senta una mayor efectividad a pH cido, debido ala aparicin de hidrxidos de hierro como precipi-tados coloidales a pH mayor de 3, lo cual hacenecesario su separacin mediante un procesoadicional de tipo coagulacin, sedimentacin o fil-tracin. Adems, algunos intermedios de reac-cin pueden alterar la reactividad del hierro debi-do a la formacin de complejos. Cuando se tie-nen pH inferiores a 3 la reaccin es autocataltica,ya que el Fe(III) descompone el H2O2 en O2 y enH2O . 3, 8, 12, 15

Las principales sales conocidas que son utilizadasen este proceso de oxidacin son el floruro, bromuroy cloruro. El cloruro de hierro generalmente se en-cuentra hexahidratado (FeCl3.6H2O) y en la forma

Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH + OH Reaccin 14Fe3+ + H2O2 Fe2+ + O2H + OH+ Reaccin 15

de grumos amarillos. Adems del Fe3+ existen otrasespecies que son fotoactivas tales como FeOH2+ yFe2(OH)4+ y su importancia depende del pH y de lalongitud de onda de la reaccin. 15

En las reacciones de fenton tradicional el Fe2+ ac-ta como catalizador en la descomposicin delH2O2 dando lugar a la formacin de radicales OH(reaccin 14) en esta reaccin los iones Fe3+ sevan acumulando a medida que los Fe2+ se consu-men y la reaccin finalmente se detiene. En esteproceso se intenta solucionar este problema me-diante la regeneracin fotoqumica de los iones Fe2+reduciendo el ion frrico segn la reaccin 16. 12, 14

Fotocatlisis heterognea con dixido detitanio (TiO2)

Como ya se ha mencionado, la fotocatlisis impli-ca la combinacin de la fotoqumica con lafotocatlisis. Ambos, luz y catalizador, son nece-sarios para alcanzar o acelerar una reaccin qu-mica. As, la fotocatlisis puede ser definida comola aceleracin de una fotoreaccin mediante uncatalizador. En el caso de la fotocatlisisheterognea, se emplean semiconductores (sli-dos en suspensin acuosa o gaseosa). Existenmltiples de estos fotosensibilizadores tales como:Al2O3, ZnO, Fe2O3 y TiO2. Sin embargo, el msampliamente usado en aplicaciones fotocatalticases el dixido de titanio Degussa p25 en forma deanatasa 99% y en forma de rutilo 1%, ya que pre-senta una mayor actividad fotocataltica, no estxico, es estable en soluciones acuosa y no escostoso, habindose evaluado diferentes estruc-turas del mismo.3, 6, 8, 14, 16- 21

Cuando un semiconductor est en contacto conun electrolito conteniendo un par redox, la trans-ferencia de cargas ocurre a travs de la interfaseslido/liquido (heterognea), como consecuenciade la diferencia de potencial entre las dos fases.Se forma un campo elctrico en la superficie delsemiconductor y las bandas se curvan con la for-ma del campo elctrico desde el interior delsemiconductor hasta la superficie. Durante lafotoexcitacin (vase la Figura 1) cuando un fo-tn de energa suficiente es absorbido, las ban-das curvadas adquieren las condiciones necesa-rias para la separacin de cargas (par e-/h+).6

Fe3+ + H2O + hv Fe2+ + OH + H+ Reaccin 16

Figura 1. Representacin esquemtica de una partcula de semiconductor excitada conradiacin ultravioleta. 14

Como se ha mencionado anteriormente, cuandose han tratado los procesos de oxidacin avanza-da se cree que el radical OH es la principal espe-cie oxidante, responsable de la fotodegradacinde la mayora de los compuestos orgnicos estu-diados, aunque en el caso del empleo del TiO2 elproceso de degradacin mediante transferenciaelectromagntica ha sido de mucho inters porlos huecos (h+) producidos en la banda de valenciadel semiconductor. Para el caso del TiO2, en for-ma de anatasa, se somete a radiacin con unalongitud de onda inferior de 400 nm, se generaun exceso de electrones en la banda de con-duccin y huecos positivos h+ en la banda devalencia (reaccin 17). 3, 8, 19, 22

En la superficie del TiO2, los huecos reaccionantanto con H2O absorbida (reaccin 18) como congrupos OH- (reaccin 19) para formar radicaleshidroxilo (OH).

Por su parte, los electrones en exceso de la ban-da de conduccin reaccionan con el oxgenomolecular para formar radicales superxido(reaccin 20) y perxido de hidrgeno (reaccin 21).

Tanto el radical superxido como el perxido dehidrgeno generan ms radicales hidroxilos me-diante las siguientes reacciones:

El ltimo trmino, el radical hidroxilo HO genera-do, provoca la completa mineralizacin de mu-chas sustancias orgnicas. Dependiendo del equi-librio de adsorcin/desercin para un contaminan-te dado, la oxidacin fotocataltica de un sustratoorgnico adsorbido podra incidir en la eficienciade su degradacin oxidativa (reaccin 25).

Parmetros que influyen en el proceso deFotocatlisis con TiO2

Existen varios parmetros que influyen cualitativay cuantitativamente en el proceso de xido-re-duccin fotocataltico. A continuacin se presen-tan los ms importantes:

Longitud de onda e intensidad de la luz: Eldixido de titanio absorbe longitudes de ondainferiores a 400 nm, que corresponden al es-pectro ultravioleta. Cualquier radiacin de es-tas caractersticas tendr la capacidad de ge-nerar en el semiconductor pares electrn-hue-

e- + H2 O2 Reaccin 20O2 + 2H+ + 2e H2O2 Reaccin 21

O2 + 2H2O 2HO + 2OH- + O2 Reaccin 22H2O2 + O2- OH- + HO Reaccin 23H2O2 + e OH- + HO Reaccin 24

h+ + H2O HO + H+ Reaccin 18h+ + OH HO Reaccin 19

TiO2 + hv TiO2 + e- + h+ Reaccin 17

TiO2(h+) + (RX) ads TiO2 + (XR+) ads Reaccin 25

co. La distancia de penetracin de los fotonesdentro de la partcula de TiO2 es ms cortacuanto menor es la longitud de onda ya queson absorbidos por las molculas delsemiconductor con ms fuerza. Debido a sto,el empleo de longitudes de onda ms corta (UV-C) generan los pares electrn-hueco ms cer-ca de la superficie, siendo menor el tiempoempleado para la migracin de estos pareselectrn-hueco hasta la superficie de la part-cula y, por tanto, menores las posibilidades paraque ocurra la recombinacin de los mismosantes de que se produzca en la superficie de lapartcula las reacciones con las especies qu-micas presentes en el agua. En conclusin, elaprovechamiento de la energa absorbida esmayor cuanto menor es la longitud de ondaempleada. 1, 3, 8, 10, 12

El catalizador: Cuanto mayor sea la dosis delcatalizador, mayor ser en principio la eficien-cia obtenida, si bien el efecto de la turbidez oca-sionada por sus partculas tambin aumenta,dificultando la difusin de la luz ultravioleta. En loque respecta a su disposicin, el dixido de titaniopuede estar en suspensin o inmovilizado. 3, 8

La utilizacin de partculas de TiO2 ocasiona laaparicin de slidos suspendidos, parmetro li-mitado por la legislacin en materia de vertidos.Por lo tanto, es necesario separar las partculasde TiO2 de las aguas tratadas antes de su vertidoo reutilizacin, siendo ste uno de los principalesinconvenientes a la hora de aplicar esta tecnolo-ga debido a su reducido tamao. Para su sepa-racin se pueden usar tcnicas de filtracin, queencarecern el tratamiento. La aplicacin de tc-nicas de decantacin, dado el reducido peso ytamao de las partculas a separar, obliga a tiem-pos de residencia excesivos para que el procesoresulte econmico. Para solucionar este proble-ma existen dos alternativas: aumentar el tamaode las partculas o adherirlas a soportes (vidrio,policarbonato, estireno, etc.) de mayor tamaopara mejorar la decantacin y evitar utilizar el ca-talizador en suspensin, depositndolo sobre lasparedes iluminadas del fotorreactor o sobre ma-teriales transparentes a la radiacin.3, 8

Efecto del oxgeno: Los huecos generados enla fotocatlisis producen radicales hidroxilo enla interfase del semiconductor con el agua. Porotro lado, los electrones generados requierenuna especie aceptadora de electrones, evitan-

do de esta forma la recombinacin de stos conlos huecos. As, el oxgeno molecular actacomo aceptor de electrones generndose el ra-dical superxido, promotor de ms radicaleshidroxilos. La presencia de oxgeno es por tan-to esencial para que se produzca una oxida-cin efectiva. Por otro lado, una aireacin con-trolada permite la continua suspensin del ca-talizador en la disolucin, favoreciendo una de-gradacin ms homognea.3, 8

El oxgeno es el oxidante ms empleado ya quees el ms barato y no compite con el sustrato enel proceso de adsorcin. Se ha comprobado quecuando desaparece el oxgeno disuelto en el aguay no existe ninguna otra especie oxidante el pro-ceso fotocataltico, se detiene totalmente.6, 8

Temperatura y pH: La variacin de la tempe-ratura no afecta significativamente la veloci-dad de las reacciones fotocatalticas. Aparen-temente el pH no afecta notablemente este tra-tamiento ya que se han obtenido buenos re-sultados empleando TiO2 a diferentes rangosde pH, pero tambin se ha comprobado queste afecta el tamao de las partculas, la car-ga superficial y las posiciones de los mximosy mnimos de las bandas del TiO2 debido a sucarcter anfotrico. Debe trabajarse a un pHdiferente al punto isoelctrico para el TiO2 (pH7), donde la superficie del xido no est car-gada.3, 5, 8, 12

Concentracin inicial del contaminante: Lascinticas de degradacin fotocataltica siguengeneralmente el mecanismo de Langmuir-Hinshenlwod donde la velocidad de reaccinvara proporcionalmente a la fraccin de super-ficie cubierta por el sustrato (vase ecuacin 1).

Donde k es la constante de velocidad de reacciny K es la constante de adsorcin del compuesto.Los valores de las constantes son influenciadaspor el pH, la temperatura, el catalizador y la inten-sidad de la radiacin adems de las propiedadesde los compuestos involucrados. 5, 12

Calidad del agua a tratar: La presencia de tur-bidez, slidos en suspensin y materia orgni-

KC

KCkr

dt

dC

inicial1

Ecuacin 1

ca e inorgnica en el agua a tratar pueden res-tar eficiencia a la oxidacin fotocataltica conTiO2. La turbidez interfiere en la interaccin dela luz ultravioleta y el catalizador, reduciendo laeficacia de la reaccin de destoxificacin.3, 8

En lo que respecta al uso de diferentes fuentesde radiacin, las investigaciones iniciales de losfundamentos de la fotocatlisis heterognea, sehicieron con reactores de lmparas UV debido aque de esta manera se podran controlar las con-diciones experimentales, adems de que repre-sentaban radiaciones continuas en longitudes deonda deseadas. El hecho de que las fuentes ar-tificiales de luz proporcionen radiacin continua-mente en las longitudes de onda deseadas, hizoque en muchas ocasiones se prefiriera esta fuen-te de luz a la solar, pero la idea de que se pudieradisponer de radiacin UV sin costo ha propiciadolas investigaciones con luz solar; sin embargo, eluso comercial actual de reactores con fuentes ar-tificiales de luz UV se restringe a sistemas homo-gneos.4, 8

En conclusin, la fotocatlisis puede ser definidacomo la aceleracin de una fotorreaccin median-te la presencia de un catalizador. El catalizadoractivado por la absorcin de la luz acelera el proce-so interaccionando con el reactivo a travs de unestado excitado o bien mediante la aparicin de pa-res electrn-hueco si el catalizador es un semicon-ductor (e- y h+). En este ltimo caso los electronesexcitados son transferidos hacia la especie reduci-ble, a la vez que el catalizador acepta electrones dela especie oxidable que ocupar los huecos; de estaforma el flujo neto de electrones ser nulo y el cata-lizador permanecer inalterado. Una partcula se-miconductora ser el catalizador ideal para una re-accin determinada si: los productos se forman conuna elevada especificidad, si permanece inalteradadurante el proceso, si se requiere la formacin depares electrn-hueco y si no se almacena energafotnica en los productos finales, siendo una reac-cin exotrmica y en principio slo cinticamenteretardada. Parece ser que estas cuatro caracters-ticas son generalmente aceptadas como vlidas yquedan esquematizadas en la Figura 2.8, 10, 20

Figura 2. Mecanismo de formacin del par electrn-hueco en la superficie del TiO2.3,8

Ventajas de la Fotocatlisis con TiO2 como cata-lizador.

A la hora de aplicar este mtodo de oxidacinavanzada, se cuenta con una serie de ventajasque lo hacen significativamente singular.8

Es el nico mtodo que realmente destruye sus-tancias txicas hasta compuestos totalmente

inocuos. En el caso de sustancias orgnicas,los subproductos que se obtienen son agua,CO2 y simples cidos inorgnicos.

El proceso es capaz de destruir prcticamentecualquier tipo de sustancia orgnica, incluidasmezclas complejas. En este sentido, es capazde descomponer incluso sustancias difcil o peli-grosamente tratables por otros mtodos, como

es el caso de dioxinas, bifenilos policlorados(PCBs), disolventes, pesticidas, colorantes, en-tre otras.

Las sustancias contaminantes son eliminadasen un nico proceso, sin necesidad de ser ex-tradas previamente del medio en que se en-cuentran disueltas.

El aporte de energa necesario es muy peque-o, pues el proceso tiene lugar a temperaturasque oscilan entre 30 y 80 C, sin que su varia-cin apenas si le afecte. Esta energa procede,adems, de una fuente limpia y abundante comoel sol.

Colector o reactor solar

Tradicionalmente se han clasificado los diferen-tes sistemas de aprovechamiento de la radiacinsolar o colectores solares, dependiendo del gra-do de concentracin alcanzados con ellos. Larelacin de concentracin (RC) puede ser defini-da como la relacin entre la abertura o rea desuperficie de captacin y el rea del reactor. EstaRC influye directamente en la temperatura del sis-tema y, de acuerdo con este criterio, los colecto-res se clasifican en tres tipos: sin concentracin obaja temperatura, concentracin media o bajatemperatura y alta concentracin o temperaturaelevada. Esta tradicional clasificacin consideranicamente el rendimiento trmico de los colec-tores solares. Sin embargo, en aplicacionesfotocatalticas este factor es irrelevante ya que laadsorcin de los reactivos en el catalizador se ve

favorecida con la temperatura, ya que es un pro-ceso exotrmico espontneo y lo realmente im-portante es la cantidad de radiacin de longitudde onda que se recoge.6

Hasta ahora los colectores solares utilizados paratratamiento de aguas mediante fotocatlisis co-rresponden a las dos primeras categoras. Talcomo se mencion anteriormente, el diseo deestos reactores ha estado enfocado bsicamentea la fotocatlisis heterognea. Una de las cuestio-nes ms importantes en el diseo de reactoreses la decisin entre sistemas de colectores de con-centracin o sin concentracin. Los primeros tie-nen la ventaja de tener un rea reactor-tubos me-nor, lo que puede significar un circuito menor ycon mayor posibilidad de manejar y manipular elagua a tratar, y los segundos tienen la ventaja deaprovechar las dos componentes de la radiacinUV (directa y difusa) y por consiguiente su efi-ciencia puede llegar a ser muy alta, su elabora-cin puede ser mucho ms econmica que los co-lectores de concentracin. Su nica desventaja essu flujo laminar o de transferencia de materia.4, 6

Unos de los colectores sin concentracin msutilizados y atractivos para el desarrollo de inves-tigaciones lo constituyen los colectores cilindro-parablicos (CPCs), debido a que por la curvatu-ra especial de su superficie reflectante (aluminio)pueden aprovechar al mximo la radiacin UV.Un sistema tpico de lo que sera un reactor parala destoxificacin solar es el que se muestra en laFigura 3, donde la diferencia fundamental entreuna instalacin y otra se produce en el tipo decolector empleado.4, 6, 8, 10, 17

Figura 3. Reactor o colector solar

El funcionamiento de estos colectores consiste b-sicamente en transformar la radiacin solar en ener-ga trmica. Dicha radiacin es concentrada me-diante espejos parablicos o superficies reflectantes,reflejndolas hacia el foco de dicha parbola a lolargo de la cual se encuentra el tubo absorbedor.Por dicho tubo circula el agua con los compuestos

a degradar, el factor absorbedor es de 10.5 soles,mientras que la eficiencia energtica de la franjaultravioleta del espectro solar obtenida es del 65%,lo cual representa la relacin entre la energa exis-tente sobre el plano de apertura del colector y ladisponible en el interior del tubo absorbedor. Dichofuncionamiento se muestra en la Figura 4. 4, 6, 8, 10

Figura 4. Diagrama esquemtico del funcionamiento de un colector solar paradestoxificacin. 4

Conclusin

Los procesos de oxidacin permiten destruir unagran variedad de compuestos txicos que son per-sistentes a la degradacin natural. Estos proce-sos se han venido desarrollando desde la dcadade los ochenta y han probado ser efectivos en ladestruccin de muchos contaminantes orgnicos.De los procesos avanzados de oxidacin, dos tec-nologas fotooxidativas son prometedoras en eltratamiento de aguas residuales: la fotocatlisisheterognea mediada por semiconductores y lafotosensibilizacin con in frrico.

Existe una aplicacin de la energa solar que hadespertado el inters de investigadores sobre todoa partir de los aos ochenta. Se trata del empleode la energa solar para la eliminacin de contami-nantes en aguas residuales mediante el uso deun fotocatalizador adecuado. Este sistema per-mite aprovechar directamente la energa solar quellega a la superficie de la tierra para provocar unaserie de reacciones qumicas (redox) que dan lu-gar a la eliminacin de compuestos orgnicos enlas aguas de vertidos urbanos, industriales y agr-

colas y cambiar el estado de oxidacin de losmetales pesados de tal forma que pasan de estardisueltos a una forma insoluble.

Referencias

1. VIDAL, A. et al. Oxidacin solar fotocataltica:Aplicacin al tratamiento de afluentescianurados. En: Ingeniera Qumica. Madrid.No 375 (ene. 2001); p.161-165.

2. COZ, A. y VILLASEOR, J. Tratamiento deefluentes fenlicos de la industria de la celulo-sa: procesos de oxidacin avanzada. En: In-geniera Qumica. Madrid. No 358 (ene.2003); p. 104-114.

3. GMEZ, L. et al. Fotooxidacin de vertidosqumicos: Revisin y experiencias de procesosde oxidacin avanzada. En: Ingeniera Qumi-ca. Madrid. No. 371; (sep. 2000); p. 211-216.

4. MRQUEZ L., Hctor y TISCAREO L., Fer-nando. La foto-oxidacin en el tratamiento de

aguas residuales. En: Ingeniera Qumica. Ma-drid. Vol. 31. No 358 (jun. 1999); p. 101-107.

5. HINCAPE PREZ, Margarita y SEPLVEDAMARN, Juan M. La fotocatalisis en el trata-miento de aguas contaminadas. En: RevistaIngeniera. Universidad de Medelln. Medelln.No 602; (dic. 2002); p. 8391.

6. MALATO RODRGUEZ, Sixto et al. Descon-taminacin de aguas de lavado de envasesde plaguicidas mediante Fotocatlisis solar.Madrid: Ciemat, 2001; 189 p.

7. GIL PAVAS, Edison et al. Foto-oxidacin delsistema cromo hexavalente-4-clorofenol. En:Revista Universidade EAFIT. Medelln. Vol. 39,No. 131; (jul. sep. 2003); p 60-74.

8. GARCES GIRALDO, Luis F. Fotocatlisis conTiO2 de los colorantes azul de metileno y naran-ja reactivo 84 utilizando colector solar. Medelln,agosto 2003; 208 p. Tesis de maestra. Univer-sidad de Antioquia. Facultad de Ingeniera.

9. PORRAS, Paula et al. Tratamiento de los de-sechos lquidos de la facultad de ingenierapor medio de Fotocatlisis. En: Revista Fa-cultad de Ingeniera. Universidad de Antioquia.Medelln. No. 21 (dic. 2000); p.11-18.

10.FRANCO C., Alexander y ORTIZ, Natalia.Manejo y tratamiento de los residuos lquidosde la facultad de ingeniera. En: Revista Fa-cultad de Ingeniera. Universidad de Antioquia.Medelln, departamento de Ingeniera Qumi-ca. 2000. 226 p.

11.LIU, G., et al. Photooxidation pathway ofsulforhodamine-B.dependence on theadsorption mode on TiO2 exposed to visiblelight radiation. En: Environmental Science &Technology. Vol. 34 (2000); p. 3982-3990.

12.MARIN S., Juan M. fotodegradacin sensibi-lizada con TiO2 y Fe 3+ de los pesticidasmalation y metomil en aguas. Medelln, 2002,96 p. Trabajo de grado. (Maestra en ingenie-ra ambiental).Universidad de Antioquia. Fa-cultad de Ingeniera.

13.GRELA M., et al. Eliminacin de contaminan-tes por Fotocatlisis heterognea: los mecanis-

mos de destruccin de contaminantes orgni-cos. En Red CTYED VIII-G (2001); p 102-119.

14.VIDAL, A. et al. Procesos solares fotocatalti-cos en el tratamiento de afluentes: aplicacio-nes al tratamiento de aguas de lavado conte-niendo plaguicidas. En: Ingeniera Qumica.Madrid. No 386 (enero 2002); p106-111.

15.HINCAPI P., Margarita y MARIN S., Juan M.Reacciones de fenton y foto-fento en la Des-contaminacin de aguas residuales. En: Re-vista Ingeniera. Universidad de Medelln.Medelln. No 14 (ene. jun. 2003); p. 53-63.

16.GIL PAVAS, Edison. Fotocatlisis: una alterna-tiva viable para la eliminacin de compuestosorgnicos. En: Revista Universidad de EAFIT.Medelln. No 127 (jul. sep. 2002); p. 59-64.

17.PEUELA M., Gustavo. Destoxificacin solarde aguas mediante Fotocatlisis o fotosensibili-zacin. En Revista Facultad de Ingeniera.Universidad de Antioquia. Medelln. No 19 (dic.1999).

18.LAZLO, Joseph. Regeneration of azo-die.Satured sellulosic anion exchange resin byburkholdeara cepacia anaerobic dye reduction.En: Environmental Science & Technology. No.34; ( ene. 2000); p. 167-172.

19.LI, X.Z. y LI, F.B. Study of Au/Au3+-Tio2photocatalysis toward visible Photooxidation forwater and wasterwater treatment. En:Environmental Science & Technology. No. 35(2001); p. 2381-2387.

20.CHEN, Chuncheng et al. Photocatalysis byTitanium Dioxide and Polyoxometalate/TiO2 Co-catalysts. Intermediates and MechanisticStudy. En: Enviromental Science & Technolo-gy. Vol. 38, No 1 (ene. 2004); p. 329-337.

21.JIANG, Dianlu et al. Characterization of Photo-electrocatalytic Processes at Nanoporous TiO2Film Electrodes: Photocatalytic Oxidation ofGlucose. EN: The Journal of Physical Chemistry.Vol. 107, No 46 (Nov. 2003); p. 12774-12780.

22.MARTYANOV, Igor N. y KLABUNDE, KennethJ. Photocatalytic Oxidation of Gaseous 2-Chloroethyl Ethyl Sulfide over TiO2. En:Enviromental Science & Technology. (ago.2003); p. 3448-3453.