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Fotocatálisis heterogénea para la eliminación de contaminantes emergentes de las aguas residuales

  • Fotocatálisis heterogénea eliminación contaminantes emergentes aguas residuales

Sobre el blog

Miriam Gutiérrez González
Soy ingeniera industrial y actualmente estoy estudiando un máster en ingeniería química, además estoy interesada en lo que respecta al tema del agua su gestión y tratamiento desde que tuve la oportunidad de tratar este campo desde cerca con mi TFG.
ABB

En esta ocasión estrenaré mi blog hablando de un tratamiento con el que tuve la gran oportunidad de investigar y trabajar de cerca, la fotocatálisis heterogénea, pero en primer lugar, realizaré una pequeña introducción sobre las técnicas de oxidación avanzada, técnicas a las que pertenece este tratamiento anteriormente nombrado.

En las últimas décadas ha incrementado la necesidad de desarrollar investigaciones para la protección del medioambiente, debido a la contaminación producida por la actividad humana e industrial principalmente, y a la aparición de nuevas restricciones políticas, sociales y legislativas más restrictivas en la gran mayoría de los países. La sociedad es cada vez más consciente del riesgo derivado de la existencia de contaminantes tanto para la salud humana como para el medioambiente. Tanto la sociedad como las legislaciones medioambientales ponen cada vez más énfasis en la importancia de la eliminación o reducción de la contaminación lo cual, ha derivado en el desarrollo de nuevas tecnologías para la eliminación de contaminantes.

Cuando la materia orgánica contenida en las aguas residuales es biodegradable en general, los tratamientos biológicos convencionales de depuración de agua son los más económicos y utilizados. Sin embargo, si la materia orgánica presente en las aguas residuales no es biodegradable, es tóxica y se encuentra en concentraciones elevadas o pueden producirse variaciones en su composición, se debe recurrir a técnicas alternativas (Laura D.R., 2008-2009).

La depuración de efluentes contaminados mediante Técnicas de Oxidación Avanzada se ha convertido en la actualidad en una de las alternativas más competentes para la eliminación de contaminantes altamente tóxicos y/o difícilmente biodegradables, que no pueden ser eliminados por los tratamientos convencionales de depuración.

Las Técnicas de Oxidación Avanzada se basan en procesos físico - químicos capaces de provocar cambios importantes en la estructura química de los contaminantes. Estas técnicas implican la formación de radicales hidroxilos (·OH) altamente reactivos, capaces de destruir un amplio rango de contaminantes orgánicos e inorgánicos. Este radical es un potente oxidante, capaz de degradar rápidamente muchos compuestos orgánicos ha dióxido de carbono, agua y sales minerales y puede ser generado por medios fotoquímicos (luz solar) o por otras formas de energía, dando lugar a la clasificación que se encuentra generalmente en la literatura de procesos fotoquímicos y no fotoquímicos (Maldonado y cols., 2009).

  • Procesos fotoquímicos: en los que se utiliza energía luminosa, solar o artificial para la generación de estos radicales.
  • Procesos no fotoquímicos: utilizan otros tipos de energía para la generación de los radicales.

Tabla 3. Clasificación de las técnicas de oxidación avanzada

 Cabe destacar, que son de especial interés aquellos procesos fotoquímicos que son capaces de aprovechar la radiación solar como fuente luminosa, ya que permite disminuir el coste derivado del elevado consumo energético, aportándole un importante y significativo valor medioambiental y constituyendo de este modo una técnica de depuración de aguas residuales respetuosa con el desarrollo sostenible. Actualmente, existen varias técnicas alternativas que utilizan una fuente lumínica para la degradación de contaminantes, esta introducción se centrara en la fotocatálisis heterogénea.

La fotocatálisis es la alternativa dentro de las Técnicas de Oxidación avanzada que ha despertado mayor interés dentro del ámbito de la depuración de aguas residuales ya que permite la eliminación de compuestos tanto orgánicos como inorgánicos y a su vez, es una tecnología efectiva en la eliminación de contaminantes persistentes y refractarios. Todo ello unido a su compromiso con la Química Verde ya que se caracteriza por ser un proceso donde no se obtienen subproductos contaminantes o residuos (Borges y col., 2008; Rammoban y Nadagouda., 2013) hacen de la fotocatálisis una alternativa muy favorable e innovadora.

1. Fotocatálisis Heterogénea

La fotocatálisis heterogénea perteneciente a los procesos avanzados de oxidación es una tecnología de tratamiento para una gran cantidad de contaminantes versátil, de bajo coste y benigna para el medioambiente. Estos procesos constituyen una opción respetuosa con el medioambiente y el desarrollo sostenible, y una de las más prometedoras tecnologías de la química verde (Borges et al., 2008; Rammohan and Nadagouda., 2013; Borges et al., 2016).

Esta tecnología está basada en la eliminación de contaminantes presentes en efluentes tanto gaseosos como acuosos por medio de una reacción que ocurre en una superficie fotocatalítica activada mediante luz con una longitud de onda específica (Borges et al., 2016). La degradación de los contaminantes presentes en el agua se realiza a través de una reacción catalítica impulsada por la acción de la luz sobre la superficie de un material semiconductor (fotocatalizador). De esta forma, la Fotocatálisis permite la degradación, e incluso la mineralización, de gran variedad de compuestos orgánicos según la siguiente reacción:

Por consiguiente, los componentes necesarios para que la reacción de fotocatálisis tenga lugar son: un compuesto a degradar, un compuesto oxidante como es el oxígeno contenido en el aire, un medio donde se produce la reacción, en este caso la propia agua residual, un fotocatalizador como es el dióxido de titanio, y una fuente de luz ya sea natural (luz solar) o artificial (lámparas) (Sierra,R.M., 2017).

La eficiencia y la aplicación exitosa de la fotocatálisis exigen que el contaminante, el catalizador y la fuente de iluminación estén próximos o en contacto el uno con el otro. La principal ventaja de la fotocatálisis heterogénea es su potencial para incorporar energía solar en forma de fotones solares por lo cual el proceso de degradación adquiere un valor ambiental adicional significativo (Borges et al., 2016; Prieto–Rodríguez et al., 2012).En la fotocatálisis heterogénea el fotocatalizador, habitualmente un sólido o un semiconductor de banda ancha absorbe de manera directa o indirecta energía radiante, visible o ultravioleta, éste en su forma excitada actúa como catalizador sin sufrir cambios químicos y en la interfase entre el catalizador excitado y la disolución, se producen las reacciones de degradación y/o eliminación de los contaminantes (Borges et al., 2016).

La fotocatálisis heterogénea tiene diversos campos de aplicación, pero en este blog nos centraremos en su utilización como técnica para la depuración de efluentes líquidos contaminados. En el caso de los efluentes líquidos, los procedimientos biológicos convencionales no son capaces de eliminar los contaminantes presentes en las aguas residuales domésticas o urbanas al 100%. Sin embargo, la normativa es bastante restrictiva y exigente respecto a los contaminantes presentes en dichos efluentes, exigiendo la eliminación casi total en la medida en que son críticos para la salud.

Actualmente, ha aumentado el número de ríos y océanos contaminados como consecuencia de los vertidos que les llegan, esto se debe a que se ha superado el nivel de autodepuración de las aguas, ya que los ríos y mares tienen la capacidad de actuar como depuradores naturales combinando la microfauna del ecosistema y la fotólisis, a través de la luz solar que incide sobre la superficie de las aguas. La capacidad de autodepuración de las aguas se ha visto anulada por dos causas fundamentales: el exceso de carga contaminante y la presencia de contaminantes derivados de productos industriales, cuya complejidad estructural hace imposible que se biodegraden. En estos casos, donde la propia microfauna del agua o los tratamientos convencionales de las plantas de depuración de agua no son capaces de degradar los contaminantes, es necesario la utilización de técnicas alternativas, como la fotocatálisis (Sierra,R.M., 2017).

Bibliografía

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BORGES, M.E., ESPARZA, P; "Photocatalysis as a potential tertiary treatment of urban waste water: new photocatalytic materials" (2014).

BORGES, M.E., HERNÁNDEZ, T., RUIZ-MORALES, J., ESPARZA, P; "Supported photocatalyst for removal of emerging contaminants from wastewater in a continuos packed bed photoreactor configuration" (2015).

BORGES, M.E; M. SIERRA.; E. CUEVAS.; R.D. GARCÍA.; P. ESPARZA.; "Photocatalysis with solar energy: Sunlight-responsive photocatalyst base don TiO2 loaded on a natural material for wastewater treatment", Chemical Engimeering Departament of La Laguna, (2016).

SIERRA, R.M.; "Fotocatálisis solar para la degradación de contaminantes: mejora de la actividad del TiO2 con luz solar y uso de materiales naturales como fotocatalizadores o soportes fotocatalíticos". La Laguna, (febrero 2017).

PRIETO-RODRIGUEZ, L., MIRALLES-CUEVAS, C., OLLER, I., FERNÁNDEZ-IBÁÑEZ, P., AGÜERA, A., BLANCO, J., MALATO, S; "Optimization of mild solar TiO2 photocatalysis as a tertiary treatment for municipal wastewater treatment plan effluents" (2012).

MALDONADO, M.I.; BLANCO. J.; MALATO. S.; FERNÁNDEZ – IBÁÑEZ, P.; ALARCÓN. D.; GERNJAK W.; "Review off easible solar energy applications to water processes", Rene. Sust. Energ Rev, 13 (2009) 1437.

RAMMOHAN, G., NADAGOUDA, M.N; "Green photocatalysis for degradation of organic contaminants" (2013).

Redacción iAgua