Degradación de contaminantes emergentes mediante tio2 inmovilizado e irradiación solar
- Autores: Noelia Miranda García
- Directores de la Tesis: M. I. Maldonado (dir. tes.), Silvia Suarez Gil (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2015
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Antonio Sánchez Pérez (presid.), Juan Manuel Coronado Carneiro (secret.), Isabel Oller (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
Al comienzo del siglo XXI, el mundo se enfrentaba a una crisis global de agua, tanto en calidad como en cantidad, causada por el crecimiento de la población, la rápida industrialización y la mala gestión en el uso del agua. A lo largo del siglo, a estos parámetros se le sumó el aumento incontrolado del uso de agua en diferentes sectores como el agrícola, el doméstico y el industrial, que derivó en una contaminación creciente de las aguas asociado al grave problema de escasez de agua. El uso de sustancias no reguladas como fármacos, detergentes, productos de uso personal, tensioactivos, plaguicidas, retardantes de llamas y aditivos, a niveles de baja concentración, contribuyen a la contaminación del agua junto con otros contaminantes como son los metales. Entre estos contaminantes, se encuentran los denominados, contaminantes emergentes (CEs), cuya principal característica es que no son biodegradables mediante los tratamientos convencionales llevados a cabo en las depuradoras de aguas residuales.
En este contexto, los Procesos Avanzados de Oxidación (PAO) se han descrito como métodos efectivos para la eliminación de un amplio número de contaminantes persistentes. No obstante, los PAO presentan la desventaja de ser relativamente caros puesto que requieren un consumo elevado de reactivos y de energía. Para eliminar esta última desventaja y conseguir una reducción en el consumo energético, se encuentra la utilización de PAO compatibles con el uso de la energía solar. De esta manera la I+D (Investigación y Desarrollo) en este campo está cada vez más focalizada en aquellos procesos que se pueden llevar a cabo con luz solar, como el foto ¿ Fenton y la fotocatálisis heterogénea, puesto que se ha demostrado la eficiencia de ambos procesos en la degradación de contaminantes en aguas residuales. Dentro de la fotocatálisis heterogénea utilizando como semiconductor el TiO2, la forma más sencilla de utilizar estos sistemas es mediante un sólido en suspensión. Aunque el TiO2 en suspensión es, por lo general, considerado más eficiente en la degradación fotocatalítica, la utilización de TiO2 inmovilizado resulta más práctica por su fácil separación del agua tratada. En este sentido, mientras que la aplicación de TiO2 en suspensión suele ir acompañada de complicaciones derivadas de la necesidad de la filtración de las partículas de TiO2 del efluente tratado, el reciclado de suspensiones ha demostrado ser difícil y poco rentable. El uso de TiO2 inmovilizado no sólo hace innecesaria la posterior separación de las partículas del óxido del agua tratada, sino que permite una reutilización del catalizador, justificándose así el interés creciente por la preparación de este tipo de sistemas.
Esta Tesis Doctoral surge de la necesidad de diseñar un sistema fotocatalítico inmovilizado, eficiente para el tratamiento de contaminantes emergentes, utilizando energía solar como fuente de excitación. Para ello se han planteado el diseño de un sistema de lecho fijo basado en un fotocatalizador de TiO2 inmovilizado sobre un soporte, alojado en el interior de un reactor tubular acoplado a un captador parabólico compuesto (CPC), que permita la degradación de los contaminantes emergentes presentes en el efluente de una Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR). Además, de forma paralela se pretende mejorar las condiciones microbiológicas del agua tratada (desinfección), puesto que los radicales hidroxilo tienen carácter bactericida. Por último, se ha planteado estudiar diferentes estrategias de regeneración del sistema fotocatalítico, con el fin de aumentar la vida útil del material. Entre las estrategias de regeneración se han seleccionado diferentes procesos como el tratamiento térmico, el tratamiento con peróxido de hidrógeno, la combinación de peróxido de hidrógeno e irradiación UV, y la utilización de bases como el hidróxido sódico y el hidróxido amónico.
Este trabajo comienza con el estudio y selección de una mezcla de 15 contaminantes emergentes de más de 80 contaminantes presentes en efluentes de EDARs. La preparación de fotocatalizadores inmovilizados basados en películas de TiO2 sintetizado mediante la metodología sol¿gel, sobre diferentes soportes, su caracterización físico-química y la consecuente evaluación de los mismos en la degradación de los compuestos modelo, ha sido el inicio de este trabajo. Los resultados obtenidos indicaron las mejores propiedades del sistema basado en esferas de vidrio transparentes a la radiación cubiertas con una película de óxido de titanio, respecto a otros sustratos como láminas de acero inoxidable o sistemas híbridos basados en silicato de magnesio y óxido de titanio.
Seguidamente se ha evaluado la influencia de la naturaleza de la matriz de agua en la eficiencia fotocatalítica. Para ello se seleccionó agua destilada, agua sintética, agua simulada de efluente y agua real de efluente. Los experimentos fotocatalíticos se realizaron en una planta piloto (especialmente diseñada para el tratamiento de aguas residuales mediante fotocatálisis solar) basados en sistemas de captadores solares del tipo parabólico compuestos (CPC). Los resultados denotaron una fuerte influencia de la naturaleza del agua en la eficiencia fotocatalítica. En el caso de trabajar en una matriz de agua destilada, los porcentajes de degradación fueron superiores al 90%, alrededor de un 80% cuando la matriz se complica con la adición de sales minerales y en torno al 70% cuando se trabaja en una matriz que simula a un efluente real de una EDAR. El estudio realizado con la utilización de agua real permitió obtener resultados muy satisfactorios, alcanzándose hasta un 60% de degradación de los contaminantes seleccionados.
En cuanto a los resultados obtenidos en la capacidad de desinfección del tratamiento fotocatalítico, la carga bacteriana se ha evaluado mediante recuento de bacterias totales y coliformes totales. Los resultados mostraron un 90% de degradación bacteriana, aunque el sistema no mostró una mejora significativa respecto al sistema de TiO2 en suspensión.
Como parte final de esta Tesis Doctoral y como consecuencia de la pérdida parcial de actividad fotocatalítica observada con el número de ciclos de tratamiento, se han estudiado diferentes estrategias de regeneración, observándose que el tratamiento térmico a alta temperatura, así como la regeneración utilizando peróxido de hidrógeno junto con radiación UV, mostraron los mejores resultados aumentando sensiblemente la eficiencia en la degradación de la mayor parte de los compuestos seleccionados.
