Desarrollo de procesos fotocatalíticos para la desinfección de agua y aplicación a la regeneración de aguas residuales depuradas
- Autores: Cristina Pablos Carro
- Directores de la Tesis: Angel Javier Margugán Aguado (dir. tes.), Rafael van Grieken Salvador (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Rey Juan Carlos ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eloy García Calvo (presid.), María José López Muñoz (secret.), Sharon L. Walker (voc.), Antonia Pilar Fernández Ibañez (voc.), Jesús Pérez Peña (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: hdl.handle.net
- Resumen
El desarrollo económico implica la necesidad de disponer de recursos hídricos adicionales para poder abastecer a todos los sectores. Una de las vías para poder disminuir el uso de agua potable sin sacrificar el desarrollo económico consiste en la reutilización de efluentes de depuradoras puesto que estos constituyen uno de los recursos más importantes en volumen y disponibilidad. En el caso de la legislación española, el Real Decreto 1620/2007 establece el régimen jurídico de reutilización de aguas depuradas y recoge los criterios de calidad para la utilización de las aguas regeneradas según los usos, siendo uno de los parámetros que se evalúan la concentración de Escherichia coli. Las técnicas convencionales de desinfección por cloración presentan algunos inconvenientes en su aplicación debido a la generación de subproductos de desinfección de naturaleza cancerígena. Por este motivo, en la actualidad se están desarrollando las denominadas Tecnologías Avanzadas de Oxidación, entre las que destaca la fotocatálisis heterogénea con TiO¿ por ser una tecnología limpia que requiere condiciones de operación suaves, presión atmosférica y temperatura ambiente, sin necesidad de añadir compuestos químicos y permite la utilización de luz solar como fuente energética del proceso. Sin embargo, su aplicación comercial está limitada debido a la necesidad de separar las partículas de catalizador. A pesar de que la inmovilización del catalizador da lugar a limitaciones de transferencias de materia y reducción de la superficie activa, la tendencia en el desarrollo de sistemas fotocatalíticos debería focalizarse hacia esta alternativa debido a sus claras ventajas operativas. Su baja eficiencia cuántica debido a la recombinación de los pares e-h fotogenerados puede reducirse mediante la utilización de fotoelectrodos semiconductores inmovilizados en un soporte conductor. Estos procesos, denominados fotelectrocatalíticos, se basan en la aplicación de un pequeño potencial eléctrico entre un ánodo, correspondiente al electrodo semiconductor de trabajo y un contraelectrodo que actúa como cátodo. Éstos permitirían la separación física de los portadores de carga fotogenerados mejorando la eficiencia cuántica del proceso. Los principales objetivos de este trabajo son: i. El estudio de las principales variables que influyen en el proceso fotocatalítico de inactivación bacteriana. ii. El desarrollo de sistemas fotocatalíticos inmovilizados, eliminando la necesidad de un tratamiento adicional al final del proceso para recuperar las partículas de catalizador. iii. Evaluar la influencia de la aplicación de un potencial eléctrico en la eficacia fotocatalítica de inactivación bacteriana, y iv. Evaluar posibles aplicaciones de esta tecnología como tratamiento terciario para la desinfección y eliminación simultánea de contaminantes emergentes en aguas residuales. El mecanismo fotocatalítico de inactivación bacteriana se basa en el ataque sucesivo de radicales *OH y otras especies oxidantes, generadas al activar el TiO¿ con radiación UV-A, en la pared celular hasta dar lugar a la lisis celular o daños irreversibles. Esta hipótesis parece confirmarse por el más que satisfactorio ajuste de los resultados experimentales obtenidos a lo largo del trabajo realizado utilizando un modelo cinético basado en un mecanismo de reacción en serie. El estudio de las principales variables del proceso muestra que parámetros operacionales como la concentración de catalizador e intensidad de radiación sólo influyen en la absorción de fotones, no dependiendo de la aplicación fotocaltalítica específica. Por tanto, la optimización y diseño del reactor podría realizarse con compuestos químicos y extrapolarse a aplicaciones de inactivación bacteriana. Por el contrario, el proceso fotocatalítico de inactivación bacteriana ha mostrado ser más sensible que los procesos de oxidación de compuestos orgánicos a la composición química del agua, al verse afectados los primeros por estrés osmótico en ausencia de sales, especies con poder desinfectante como cloruros, u otras que influyen en el proceso de inactivación. Puesto que la composición química del agua afecta notablemente al tiempo de irradiación necesario para alcanzar una inactivación completa, los resultados obtenidos usando compuestos orgánicos no pueden ser extrapolados sin más a procesos de inactivación. La configuración del TiO¿ en el reactor fotocatalítica afecta considerablemente a la interacción bacteria- TiO¿ ya que la inmovilización del TiO¿ tanto en un reactor de pared como de lecho fijo da lugar a perfiles de inactivación diferentes al observado con TiO¿ en suspensión. Esto se debe a un contacto bacteria-catalizador más eficaz en sistemas inmovilizados donde los ataques de los radicales*OH y por tanto los daños bacterianos se focalizan en una zona concreta de la pared celular donde tiene lugar la interacción con el TiO¿. En el caso de los procesos fotoelectrocatalíticos, tanto la composición y tamaño de las formas cristalinas del TiO¿ como la estructura de la capa de TiO¿ presente en los fotoelectrodos influye tanto en la separación de los portadores de carga a través de la película de TiO¿ al aplicar un potencial eléctrico como en la transferencia de los mismos en superficie, interviniendo ambos procesos en los procesos fotoelectrocatalíticos. La interacción TiO¿-soporte conductor así como la conductividad del soporte también es importante al influir en la eficacia del transporte de electrones desde la capa de TiO¿ hasta el soporte. Destacar que no siempre el grosor de la película de TiO¿ óptimo observado en procesos fotocatalíticos que permite la máxima absorción de radiación UV-A, corresponde al óptimo en procesos fotoelectrocatalíticos. Un grosor elevado en este proceso puede aumentar la resistencia en el transporte de electrones a través de la capa de TiO¿. Además, otros factores como la forma de iluminación del fotoelectrodo también puede afectar a la actividad del proceso. Por tanto, la complejidad del proceso no siempre garantiza la posibilidad de utilizar los datos de fotocorriente como indicador de actividad absoluta del proceso. La eficacia fotocatalítica de inactivación bacteriana se ve incrementada al aplicar un potencial eléctrico, ya que la bacteria negativamente cargada es atraída hacia la superficie del TiO¿ más positivamente cargado debido a la aplicación de dicho potencial eléctrico. Los procesos fotoelectrocatalíticos de inactivación bacteriana también podrían llevarse a cabo en suspensiones con bajos niveles de conductividad como efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales. Como principal conclusión, se puede destacar que los sistemas fotocatalíticos desarrollados mediante inmovilización de TiO¿ es un reactor de lecho fijo permitieron alcanzar una desinfección completa en tiempos comparables a los del TiO¿ en suspensión, sin mostrar una pérdida significativa de actividad tras varios ciclos de reutilización en aguas residuales sintéticas, eliminando la necesidad de recuperar el catalizador al final del tratamiento y permitiendo la eliminación de diferentes tipos de fármacos durante el proceso. Por tano, este sistema fotocatalítico podría ser efectivo como tratamiento terciario para desinfección y eliminación de contaminantes emergentes de forma simultánea en efluentes de salida del tratamiento secundario de depuradoras, permitiendo una mejor reutilización.
