Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA DE INGENIERÍA AMBIENTAL
Remoción del colorante Anilina Burdeos mediante fotocatálisis heterogénea solar a distintas condiciones de pH y
concentración de color inicial
TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE
INGENIERO AMBIENTAL
AUTORES: Br. VERGARA ROJAS, Jorge Fitzgerald Br. CHAVEZ QUISPE, Camila Andrea
ASESOR: Ms. MENDOZA BOBADILLA, Jorge Luis
TRUJILLO-PERÚ 2021
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
MIEMBROS DEL JURADO
Dr. REYES LAZARO, Wilson PRESIDENTE
Ing. SALDAÑA SAAVEDRA, Juan SECRETARIO
Mg. MENDOZA BOBADILLA, Jorge Luis ASESOR
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
DEDICATORIA
La presente investigación fue sencilla de iniciar, pero difícil de terminar.
Como en todo proyecto existieron problemas, pero al mismo tiempo existieron soluciones.
Hubo muchos sacrificios, pero también muchas recompensas.
El camino a seguir desde la primera idea hasta la última conclusión marcó las bases de mi futuro como profesional.
Sin más que decir dedico esta investigación a toda persona que sienta felicidad al saber que logré mis objetivos .
Y recuerda que, para ser feliz solo basta con tener;
buena salud y mala memoria.
Por:
Jorge Fitzgerald Vergara Rojas
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
A Dios, que siempre ha sabido dame fuerza y valor para continuar en los momentos más difíciles de mi vida.
A mis padres, por ser el pilar de mi vida, por bridarme su apoyo y confianza durante mis años de vida, por demostrarme que es el trabajo duro y la constancia, además de permitirme crecer en un hogar lleno de valores, amor, cariño y felicidad.
A mis abuelos, que siempre soñaron con este momento y aunque ya no están físicamente, me han acompañado en toda esta etapa, y espero que desde allá arriba puedan estar orgullosos de la persona en que me he convertido.
A mi familia en general, que siempre me han estado alentando, motivando y aconsejando. A ellos, con los que siempre he estado en los mejores y peores momentos, y me demostraron la importancia del amor, y como la unidad puede ayudar a superar cualquier obstáculo.
A María Angélica, quien se volvió parte de mi familia, y ha sabido tenerme paciencia, así mismo, es una de las personas que siempre ha creído en mí, incluso cuando nadie más lo hacía, dándome la fortaleza para continuar y culminar esta etapa de mi vida.
A mis docentes, por su tiempo y apoyo, así como por la sabiduría que me transmitieron en el desarrollo de mi formación profesional.
Por:
Camila Andrea Chávez Quispe
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
ÍNDICE
DEDICATORIA ... iii
ÍNDICE ... v
ÍNDICE DE TABLAS ... viii
ÍNDICE DE FIGURAS ... ix
RESUMEN ... x
ABSTRACT ... xi
I. INTRODUCCIÓN ... 1
1.1. PLANTAMIENTO DEL PROBLEMA ... 2
1.2. HIPÓTESIS ... 2
1.3. JUSTIFICACIÓN ... 2
II. OBJETIVOS ... 3
2.1. OBJETIVO GENERAL ... 3
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 3
III. MARCO TEÓRICO ... 4
3.1. EL AGUA ... 4
3.1.1. SITUACIÓN MUNDIAL... 4
3.1.2. USOS ... 6
3.1.3. CRISIS MUNDIAL DEL AGUA ... 9
3.1.4. CALIDAD DEL AGUA ... 11
3.1.5. EL AGUA EN PERÚ ... 16
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
3.2. COLORANTES EN EL AMBIENTE (PROBLEMÁTICA) ... 22
3.3. PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADA ... 25
3.3.1. VENTAJAS DE LOS POA ... 26
3.3.2. DESVENTAJAS DE LOS POA ... 27
3.4. FOTOCATÁLISIS ... 27
3.4.1. FOTOCATÁLISIS HOMOGÉNEA ... 28
3.4.2. FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA ... 28
3.4.3. FOTOCATALIZADOR ... 29
3.4.4. PARÁMETROS DE LA FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA CON TIO2 ... 30
3.4.5. MECANISMO DE REACCIÓN ... 31
IV. MATERIALES Y MÉTODOS ... 34
4.1. MATERIALES, REATIVOS Y EQUIPOS ... 34
4.1.1. MATERIALES ... 34
4.1.2. REACTIVOS QUÍMICOS ... 34
4.1.3. EQUIPOS ... 34
4.2. METODOLOGÍA ... 35
4.2.1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ... 35
4.2.2. VARIABLES DE OPERACIÓN ... 39
4.2.3. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN ... 40
4.2.4. ANÁLISIS ESTADÍSTICO ... 41
V. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ... 42
5.1. ANÁLISIS EXPERIMENTAL ... 42
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
5.1.1. CURVA DE CALIBRACIÓN ... 42
5.1.2. INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN DE COLOR INICIAL ... 43
5.1.3. INFLUENCIA DEL PH ... 46
5.1.4. ANÁLISIS DE INFLUENCIA SIMULTANEA ... 48
5.2. ANÁLISIS ESTADÍSTICO ... 50
VI. CONCLUSIONES ... 53
VII. RECOMENDACIONES ... 54
VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 55
IX. ANEXOS ... 62
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Uso de agua en el consumo y producción de productos ... 20
Tabla 2. Concentraciones de color y cantidad de agua generada por industrias ... 22
Tabla 3. Clasificación de colorantes por estructura química ... 23
Tabla 4. Clasificación de los Procesos de Oxidación Avanzada ... 26
Tabla 5. Resumen de variables y niveles del experimento ... 39
Tabla 6. Operacionalización de las variables de investigación ... 39
Tabla 7. Matriz de diseño ... 41
Tabla 8. Análisis de varianza ... 50
Tabla 9. Data empleada en la curva de calibrado – colorante Anilina Burdeos ... 62
Tabla 10. Data de %RC a pH 3 ... 63
Tabla 11. Data de %RC a pH 4 ... 64
Tabla 12. Data de %RC a pH 5 ... 65
Tabla 13. Data de %RC una CCi de 100 ppm ... 66
Tabla 14. Data de %RC a una CCi de 75 ppm ... 67
Tabla 15. Data de %RC a una CCi de 75 ppm ... 68
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Proporción del total de agua extraída y consumida ... 8
Figura 2. Esquema de los procesos redox en la interfase semiconductor-electrolito ... 32
Figura 3. Longitud de onda máxima ... 36
Figura 4. Elaboración de curva de calibrado ... 37
Figura 5. Tratamientos experemientales ... 38
Figura 6. Curva de calibrado – colorante Anilina Burdeos ... 42
Figura 7. Análisis comparativo de la influencia de la CCi en el %RC ... 45
Figura 8. Análisis comparativo de la influencia del pH en el %RC ... 47
Figura 9. Análisis de influencia múltiple ... 49
Figura 10. Gráfica de medias ... 51
Figura 11. Análisis de medias tridimensional ... 52
Figura 12. Muestra de solución antes y después del tratamiento a pH 5 ... 68
Figura 13. Muestra de solución antes y después del tratamiento a pH 4 ... 69
Figura 14. Muestra de solución antes y después del tratamiento a pH 3 ... 69
Figura 15. Análisis de acidez de la muestra ... 70
Figura 16. Puesta en marcha del experimento a 0 y 120 [min] respectivamente ... 70
Figura 17. Recolección de muestras, finalizada la exposición a radiación solar ... 70
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
RESUMEN
En el presente estudio, se evaluó la influencia del pH y la concentración de color inicial en la remoción del colorante Anilina de Burdeos presente en solución, empleando una dosis a 2 [gr/L] de TiO2 como catalizador durante 120 [min] de tratamiento continuo, expuesto a radiación solar directa; así mismo se buscó determinar las condiciones iniciales para obtener un valor de remoción máximo, para aquello se han desarrollados 9 tratamientos experimentales a niveles de pH [3, 4 y 5] y concentración de color inicial de [50, 75 y 100 ppm], los cuales se realizaron por triplicado y los porcentajes de remoción fueron presentados a través de su media. Adicionalmente a la evaluación de la influencia de variables, se realizó un análisis comparativo con los resultados obtenidos a pH neutro (7.2), demostrando la influencia de la acidificación en la remoción del colorante, de manera similar y mediante gráficas de medias, se comprobó la influencia de la concentración de color inicial, al presentar promedios de remoción distintos, mostrados en la Figura 10, logrando una remoción máxima de 88.93%. Finalmente, la validación del diseño experimental se realizó a un nivel de significancia de 95, mediante el análisis estadístico ANOVA.
Palabras claves: fotocatálisis, catalizador, remoción, contaminantes, colorantes.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
ABSTRACT
In the present study, the influence of the pH and the initial color concentration on the removal of the Bordeaux Aniline dye present in solution was evaluated, using a dose of 2 [gr/L] of TiO2 as catalyst during 120 [min] of continuous treatment, exposed to direct solar radiation;
Likewise, it was sought to determine the initial conditions to obtain a maximum removal value, for this reason 9 experimental treatments were developed at pH levels [3, 4 & 5] and initial color concentration of [50, 75 & 100 ppm], which were started and the removal percentages were presented through their mean. In addition to the evaluation of the influence of variables, a comparative analysis was made with the results obtained at neutral pH (7.2), demonstrating the influence of acidification on the removal of the colorant; in the same way and with the use of mean graphs, the influence of the initial color concentration was proven, since different removal averages were obtained, which are shown in Figure 10, achieving a maximum removal of 88.93%. Finally, the experimental design was validated at a significance level of 95, by means of ANOVA statistical analysis.
Keywords: Photocatalysis, catalyst, removal, pollutants, dyes.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
I.
INTRODUCCIÓNLa contaminación es el resultado de un ineficiente proceso, elaborado por el hombre. Los procesos asociados a la producción de productos, generan cantidades considerables de material contaminante, generando efectos adversos en la saludad poblacional, flora, fauna, ciertos ecosistemas y su calidad (Arango, 2004).
Las plantas industriales textiles, se han encontrado frente a los grandes problemas medioambientales anexados a al inadecuado uso y malgaste del agua. Problema similar ocurre con las aguas residuales domésticas, las cuales, bajo ciertas condiciones representan una problemática similar a las industriales. Debido a la alta demanda, es que se ha aumentado el volumen de agua necesitado en producción , por ende, hoy en día representa uno de los mayores problemas respecto a daño al medio ambiente, que existe en el mundo (Leyanis Domíngues-Martínez, 2018).
El presente trabajo tiene como finalidad brindar una alternativa de solución frente a la problemática actual, evaluando las mejores condiciones para el tratamiento de aguas residuales contaminadas con colorantes procedentes de la Curtiembre “Ecológica del Norte”
mediante procesos fotocatalítico a exposición solar directa.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
1.1. PLANTAMIENTO DEL PROBLEMA
¿La concentración inicial del colorante Anilina Burdeos (AB) y el pH, tienen influencia en el proceso de remoción del colorante mediante oxidación fotocatalítica solar, en soluciones sintéticas?
1.2. HIPÓTESIS
Si, al exponer una solución de colorante orgánico a radiación solar se producen ligeras remociones de color, debido a que los colorantes orgánicos son sensibles a la radiación del espectro UV; entonces al acidificar una solución, acelerará el desplazamiento de los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, acelerando la remoción de color; por otro lado, al modificar su concentración de color inicial (CCi), existirá menor concentración de colorante presentando mejoras en su remoción; por ende, al someter una solución a las condiciones mencionadas, llevarán al incremento del porcentaje de remoción de color cuando es expuesto a radiación solar.
1.3. JUSTIFICACIÓN
La importancia del agua ha motivado diversas investigaciones para su cuidado y descontaminación.
Muchas industrias, como la de curtiduría e industria textil generan un gran impacto negativo en este recurso, por sus efluentes cargados de diferentes componentes, como por ejemplo aguas con presencia de colorantes, pues estas son difícilmente tratables en un proceso común de tratamiento de aguas.
Este trabajo de investigación se ha centrado en la remoción colorante, empleando un proceso y limpio y amigable con el ambiente, que no genere impactos negativos, así mismo posea un bajo costo.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
II.
OBJETIVOS2.1. OBJETIVO GENERAL
• Determinar a qué valores el pH inicial de la solución y la concentración inicial de color, generan una mejor respuesta, en el tratamiento para la remoción del colorante (AB) mediante fotocatálisis heterogénea solar.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Evaluar la influencia de la concentración de color inicial, en la remoción del colorante AB.
• Evaluar la influencia del pH inicial de la solución, en la remoción del colorante AB.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
III.
MARCO TEÓRICO3.1. EL AGUA
3.1.1. SITUACIÓN MUNDIAL
El agua tiene un papel importante en la vida en la tierra, siendo indispensable para la creación y sobrevivencia de los seres vivos, y también un pilar para el desarrollo (García, 2009).
El agua cubre aproximadamente el 71% de la superficie del planeta, siendo más de la tercera parte de la superficie de la tierra, conformándolo que se conoce como la hidrosfera (Universidad Central de Colombia, 2002). El agua está dispuesta en océanos, lagos, lagunas, ríos, glaciares, en el aire y la tierra, incluso dentro del ser humano, por lo que resulta ser parte importante de la vida, considerándosela el sustento de todo. (Fernández Cirelli, 2012) Las aguas marinas tienen un predominio en nuestro planeta, siendo aproximadamente un 97% del total, considerándoselo una futura reserva de agua potable, riego o uso industrial;
sin usarse aún porque su tratamiento tiene un costo demasiado elevado. En el presente, el agua dulce es nuestra reserva para la obtención de agua potable; sin embargo, su proporción es menor al 2,42% en el planeta (casquetes polares, superficiales y subterráneos) (Auge, 2007).
De toda el agua en la tierra solamente el 0.007% es para uso directo de los seres humanos, teniendo por cálculos un volumen de 700 m3/persona por año, pero este valor no se cumple, pues la disponibilidad real del agua se distribuye de manera geográfica, es decir, la distribución del agua depende de la altitud, latitud, clima entre otros factores ambientales (Toledo, 2002).
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
La proporción entre agua dulce y salada es desigual, teniendo un porcentaje mucho menor que el agua salada. Además de la distribución desigual del agua dulce, el problema se ve agravado por el uso que se le da al agua (García, 2009).
Los elementos que componen el agua son dos, siendo estos: hidrógeno y oxígeno; teniendo como fórmula general H2O.
El agua posee una extrema estabilidad a causa de su enlace covalente entre el hidrógeno y el oxígeno, por esto es muy difícil disociar la molécula, permitiendo que pueda existir incluso en difíciles condiciones y en diferentes lugares en todo el planeta.
Químicamente el agua tiene gran importancia, la gran mayoría de los procesos químicos en la naturaleza se presentan en las sustancias disueltas en el agua (Universidad Central de Colombia, 2002).
Es bien sabido que el agua posee propiedades que la hacen única dentro de estas propiedades tenemos: su capacidad calorífica, su flexibilidad, no posee olor o sabor, es un medio de transporte de los nutrientes, alta tensión superficial es un solvente universal y su pH es neutro; solo por nombrar algunas de ellas (Fernández Cirelli, 2012).
Al desarrollarse la humanidad aparecieron dos grandes problemas, siendo estos la industrialización y la sobrepoblación, aumentado la demanda de agua potencialmente, generando como consecuencia la disminución en la calidad del agua (García, 2009).
Existe una desigualdad en la distribución del agua se da entre los países e incluso entre las regiones de un mismo país (geográficamente), adicionalmente la desigualdad se ha visto agravada por el crecimiento poblacional, multiplicándose por nueve el consumo de agua doméstica, así también multiplicándose por casi cuarenta el consumo de agua para uso industrial. El agua es vista como el elemento del desarrollo, pues los sectores más prósperos son los que necesitan y utilizan más agua, ya sea para las industrias como se mencionó antes,
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
como para la ganadería y agricultura. “En la mayoría de las regiones, el problema no es la falta de agua dulce potable sino, más bien, la mala gestión y distribución de los recursos hídricos y los métodos y sistemas que la malgastan” (Centro de Asesoría Laboral del Perú, 2005).
El creciente aumento de la demanda de agua ejerce serias presiones sobre el medio ambiente.
Junto al crecimiento poblacional se desarrolla el crecimiento industrial, y un aumento en la contaminación. La crisis que existe alrededor del mundo por la contaminación del agua se debe a las grandes cantidades de desechos peligrosos, efluentes, e incluso metales pesados que se descargan; así mismo se está perdiendo los ecosistemas naturales (ONU-Agua, 2005).
La contaminación ha generado que disminuyan las reservas de agua, teniendo mayor escasez de agua apta para el consumo humano (Centro de Asesoría Laboral del Perú, 2005).
En los países en desarrollo, más del 90% del alcantarillado y el 70% de las aguas de desecho industrial se vierten sin tratamiento en las aguas superficiales (ONU-Agua, 2005).
3.1.2. USOS
El agua no sólo es de suma importancia para el desarrollo de la vida, es también un recurso de suma importancia dentro del marco económico de cada ciudad, región y país en el mundo.
Ya que este recurso cuenta con cierta disponibilidad en cada lugar, se debe buscar la manera de realizar una distribución equilibrada.
En el último siglo el total de la población mundial se triplicó, por consecuente la demanda y extracción del agua se sextuplicaron (CONAGUA, 2011).
Según uno de los reportes de AQUASTAT, que es el sistema mundial de información sobre el agua y la agricultura de la FAO, desde la década de 1980 se ha ido incrementando un 1%
el uso del agua en el mundo. Este aumento ha sido de manera constante, y una de las causas
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
es el incremento de la demanda del agua de los países en desarrollo y de las economías emergentes; pero se debe considerar que el valor creciente de la demanda de estos países sigue siendo mucho menor al valor de los países desarrollados.
Otra de las causas del aumento del 1% en la demanda del agua y que influye también en el incremento de la demanda de los países desarrollados, es el crecimiento poblacional exponencial en los últimos años; trayendo consigo una búsqueda de desarrollo socioeconómico y la evolución de los patrones de consumo (WWAP (World Water Assessment Programme), 2018) (WWAP (World Water Assessment Programme), 2019).
Como se mencionó, hasta la fecha la demanda del agua global ha aumentado; pero se presupone que para el año 2050 llegará a valores de 20 – 30% más altos a los que se tienen.
(Burek, y otros, 2016).
En años anteriores, el uso del agua estaba totalmente contemplado para el aprovechamiento antrópico, dejándose de lado la problemática ambiental; se trataba del aprovechamiento insostenible de un recurso de gran importancia y del mal manejo de este recurso como efluente afectando así la calidad de los cuerpos receptores.
Dentro de la distribución en general del agua para los diferentes usos de esta, se considera a la agricultura como el sector de mayor demanda, utilizando aproximadamente más de las dos terceras partes de la disponibilidad de los recursos hídricos. Por otra parte, se debe tener en cuenta el uso de estos recursos en otras actividades, como extractivas, industriales, etc.;
así también su demanda por parte de la población como un recurso esencial para el día a día (Fernández Cirelli, 2012).
a) Sector agrícola
Este sector es de vital importancia para la alimentación mundial. Se considera, según las estimaciones hechas por la FAO, que el porcentaje de la extracción y demanda del agua
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
total del uso agrícola es del 72%(CONAGUA, 2011), en otras publicaciones el valor varía a un porcentaje de 69% (Huberyana, 2019) (WWAP (World Water Assessment Programme), 2019).
Del porcentaje de la demanda de la agricultura, un 15% es consumida durante el riego;
en las siguientes décadas este porcentaje podría aumentar hasta en un 14%, esto se deberá a la expansión de las áreas de cultivo.
De los 93 países en desarrollo estudiados por la FAO, diez están ya utilizando un 40% de su agua dulce renovable para regadío, que es el nivel a partir del cual puede tornarse difícil elegir entre la agricultura y otros usos del agua (WorldWater, 2003).
También es importante mencionar que en los últimos años la agricultura ha utilizado mayor cantidad de agroquímicos, que han derivado en la contaminación de suelos y acuíferos.
b) Sector industrial
Es uno de los más importantes pilares para el desarrollo y crecimiento económico.
Alrededor del 20% del agua se emplea en la industria. Las centrales eléctricas disponen más de la mitad de este porcentaje en los procesos de enfriamiento. Dentro del sector industrial las papeleras, las madereras, las plantas petroleras, la industria manufacturera y metálica, son también la de mayor consumo de agua (CONAGUA, 2011).
Es indispensable como materia prima el uso de agua de buena calidad. El aumento de la demanda del agua será sobre todo en los países que se encuentran en vías de desarrollo, como se muestra en la Figura 1 (WWAP (World Water Assessment Programme), 2016).
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Figura 1. Proporción del total de agua extraída y consumida (2014-2040)
Nota: Tomado de (World & Water, 2015)
3.1.3. CRISIS MUNDIAL DEL AGUA
La preocupación en las últimas décadas se ha ido incrementando, esto por el consumo de agua per cápita aumenta (debido a la mejora de los niveles de vida), la población crece y en consecuencia el porcentaje de agua objeto de apropiación se eleva. Si se suman las variaciones espaciales y temporales del agua disponible, se puede decir que la cantidad de agua existente para todos los usos está comenzando a escasear y ello nos lleva a una crisis del agua. Las estimaciones recientes sugieren que el cambio climático será responsable de alrededor del 20% del incremento de la escasez global de agua.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Por otro lado, los recursos de agua dulce se ven reducidos por la contaminación que surge por la producción utilización y el destino final de diversos productos químicos usados en los diferentes sectores, como la ganadería, agricultura, farmacia, industrias, etc. Se ha demostrado que estas sustancias, al entrar al medio ambiente, se dispersan y algunas incluso tienen tiempos de vida altos.
Por todo esto se han desarrollado diferentes métodos de tratamiento, pero estos no eliminan completamente estos productos, pudiendo llegar a las aguas superficiales afectando la vida también del ser humano.
Esta contaminación genera problemas como: anormales problemas fisiológicos, aumento de enfermedades, efectos sinérgicos de los compuestos ya presentes en el medio ambiente.
Estos problemas son en muchos casos acumulativos, por lo que los efectos se evidencian mucho tiempo después.
a) Industrias
Es bien conocido que las industrias usan el agua en múltiples de procesos, y los vertidos que se generan al final de estos procesos poseen contienen contaminantes que irán a para a los cuerpos de agua receptores.
Para evitar esto toda industria debe contemplar medidas de tratamiento de sus vertidos (Fernández Cirelli, 2012).
El daño que la actividad industrial puede producir en los recursos hídricos no se limita a los recursos «locales» de agua dulce. La concentración creciente de población y de industrias en las zonas costeras ocasiona un empobrecimiento tanto de los hábitats como de la población que de ellos depende.
b) Agricultura y ganadería
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Los productos químicos agrícolas (fertilizantes y pesticidas) constituyen en general una causa principal de contaminación del agua, mientras que los nutrientes de los abonos causan graves problemas eutróficos en aguas superficiales de todo el mundo. Las aguas residuales constituyen una importante fuente de agua de riego, ya que en alrededor del 10% del total de las tierras de regadío de los países en desarrollo se utiliza este recurso.
Esto beneficia directamente a los agricultores donde el agua es escasa, puede mejorar la fertilidad del suelo y reducir la contaminación de las aguas receptoras corriente abajo.
Aunque las aguas residuales deberían recibir tratamiento para ser utilizadas como agua de riego, en países de bajos ingresos se usan frecuentemente en forma directa, sin tratar, con los riesgos que ello trae (WorldWater, 2003).
3.1.4. CALIDAD DEL AGUA
La calidad se define por la composición química, y sus características biológicas y físicas, obtenidas por diferentes procesos naturales o antropogénicos.
Al hablar de calidad del agua, muchas veces se hace referencia indirectamente al uso que se hará del agua, además de la modificación de la composición natural del cuerpo de agua (contaminación). Para determinar el grado de contaminación y su calidad, se realiza una comparación con los estándares y criterios prestablecidos de parámetros físicos, químicos, biológicos y microbiológicos.
La contaminación es originada por el agente contaminante, el que erróneamente siempre es considerado como una sustancia dañina y peligrosa para el medio ambiente; pero en realidad se define como agente contaminante a una sustancia ajena del medio, lo que hace que un contaminante sea dañino es su concentración. En la mayoría de los casos los contaminantes son introducidos al medio ambiente por actividades humanas que, debido a su incremento, este genera un potencial daño a la salud del hombre y de los seres vivos, de modo directo o
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
indirecto. El posible daño originado de la contaminación debe tener un indicador, además de ser evidenciado por la capacidad del medio para absorber o neutralizar.
Existe por ende medios administrativos para la gestión de la calidad del agua para poder cumplir con los requerimientos de los diferentes usuarios, algunos de estos medios son: los criterios de la calidad del agua, los diferentes estándares y además la legislación; estos medios varían en diferentes países, pero todos basados en las directrices de la Organización Mundial de la Salud. Estos estándares son reglas o principios establecidos por las autoridades ambientales correspondientes (Fernández Cirelli, 2012).
3.1.3.1. PARÁMETROS DE LA CALIDAD DEL AGUA
Dependiendo del uso al que vaya a ser designada el aguase seleccionan los parámetros a evaluar. Cada parámetro tendrá diferentes criterios, esto depende de su origen y su uso.
Existe diferentes parámetros que son usados como indicadores, entre ellos tenemos:
a) Físicos:
• Temperatura. - El cambio de la temperatura natural de un cuerpo de agua se origina por procesos naturales (variaciones de temperatura en su recorrido, esto es normalmente originado por las fluctuaciones del clima y diferencia de altitudes) y artificiales (orígenes antropogénicos, en su mayoría por el uso de las aguas como refrigerante) (Fernández Cirelli, 2012). Cuando aumenta la temperatura del agua, la velocidad de las reacciones químicas, la evaporación y volatilización de las sustancias químicas aumentan; por el contrario, cuando la temperatura disminuye la solubilidad de los gases presentes en el agua. La temperatura también está relacionada con la tasa metabólica de los organismos, el incremento de oxígeno, descomposición de la materia orgánica. El intervalo de temperatura de las aguas superficiales está comprendido desde 0 a 30°C, esto debido a las condiciones normales de temperatura; se pueden encontrar temperaturas anormales
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
debido a las descargas de termoeléctricas, siderúrgicas y diferentes industrias (Universidad Central de Colombia, 2002).
• Turbidez. - Producida por materia en suspensión dentro del agua, es un parámetro muy utilizado mayormente en aguas naturales, es un indicador de la presencia de sólidos. Su medida se basa en “la extensión en la que un rayo de luz es reflejado en su paso por el agua en un ángulo de 90°. Esta reflexión se produce debido al efecto Tyndall que caracteriza a los sistemas coloidales (Fernández Cirelli, 2012). La turbidez disminuye la claridad natural del agua, lo que hace que en lugar de que la luz atraviese el agua y viaje en línea recta, la luz se disperse y absorba. Las partículas que originan la turbidez tienen un diámetro desde 0,1 a 1000 nanómetro. La turbidez no siempre impide el uso que se le dé al agua, pero si puede originar un cambio en la calidad bacteriológica y química, así también en el olor y sabor del agua. La turbidez está relacionada indirectamente con la cantidad de solidos suspendidos totales (Universidad Central de Colombia, 2002).
• Color. - Su presencia en el agua indica existencia de alguna sustancia extraña, esta puede ser materia en suspensión y sustancias disueltas. Es producido por compuestos orgánicos de origen natural o por compuestos artificiales en su mayoría por vertidos industriales. Su determinación se realiza por métodos espectrofotométricos; se analiza el color de la luz que llega a atravesar a la muestra previamente filtrada y así determinar el color verdadero (Fernández Cirelli, 2012).
• Conductividad eléctrica. - Capacidad del agua de conducir una corriente eléctrica, se expresa en micro Siemens por centímetro (mS/cm) e indica la cantidad de sales o minerales disueltos en el agua. La conductividad puede ser afectada por el recorrido del agua, pues debe atravesar diferentes terrenos que poseen diferentes características; o por la presencia de vertidos, pues generalmente poseen iones que no fueron depurados correctamente en el proceso. Este parámetro se realiza por el uso de un conductímetro.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Los valores de la conductividad eléctrica en el agua superficial varían de 10 a 1000 mS/cm, en agua contaminadas el valor puede ser aún mucho mayor. Su presencia indica la existencia de vertidos dentro del agua y determinar si se puede reutilizar el agua para diferentes fines.
b) Químicos:
• Dureza. - Definiéndose como la suma de todos los cationes multivalentes presentes en el agua. La dureza suele calcularse como la suma de los cationes de calcio y magnesio, definiéndose como: Dureza= [Ca+2]+[Mg+2]; esta se expresa como la masa en miligramos por litro de carbonato de calcio que contiene el mismo número de iones dipositivos (+2).
“Las aguas se clasifican como: blandas: 0-60 mg/L CaCO3, moderadamente blandas: 60- 120 mg/l CaCO3, duras: > 120 mg/l CaCO3. La dureza se determina mediante una valoración con EDTA. Si fuera necesario determinar calcio y magnesio individualmente se recomienda realizar las determinaciones por absorción atómica” (Fernández Cirelli, 2012).
• pH. - El potencial de hidrógeno es un parámetro fundamental para determinar la calidad del agua. Es un valor adimensional, que indica la intensidad del carácter ácido o básico del agua, varia de 0 para el valor más acido a 14 para el valor más básico, siendo 7 un valor neutro (Universidad Central de Colombia, 2002). Las aguas naturales tienen un pH entre 6,5 a 8,5 generalmente, dependiendo de la naturaleza del ambiente; este pH varía anormalmente producto de vertidos industriales o condiciones geológicas particulares.
Dependiendo del pH existen cambios en el estado de diferentes elementos (por ejemplo, solubilidad de los metales) (Fernández Cirelli, 2012).
• Oxígeno disuelto (OD). - El OD es el oxígeno libre dentro del agua. La solubilidad del Oxigeno dentro del agua se debe a diferentes factores como la temperatura, salinidad y presión atmosférica. El déficit de oxígeno indica la diferencia entre el oxígeno teórico
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
que debería estar presente en el agua, y el oxígeno disuelto real. El contenido de oxígeno disuelto varia por la presencia de vegetales, cambios atmosféricos, grasas, hidrocarburos, detergentes, materia orgánica oxidable, organismos y microorganismos aerobios. El valor mínimo de oxígeno disuelto que debe tener el agua para la sobrevivencia de las comunidades acuáticas debe ser de 4 a 5 mg/L.
En las aguas subterráneas el oxígeno disuelto es un parámetro que no puede usado como indicador de manera similar que, con el agua superficial, los equipos aptos para la medición de su oxígeno disuelto requieren equipos especiales y costosos; pero se pueden realizar medidas indirectas a través de otros métodos (Universidad Central de Colombia, 2002).
• Demanda bioquímica de oxígeno (DBO). - El DBO es la capacidad que posee la materia orgánica para consumir oxígeno en sus procesos biológicos. El ensayo consiste en la medición del OD al inicio y dentro de 5 días, la muestra después de la primera medición debe conservarse en un lugar oscuro y a una temperatura constante de 20 o 25 °C, llamándose al ensayo DBO5.
• Demanda química de oxígeno (DQO). - Es una medición de manera indirecta de la presencia de materia orgánica en el agua (Fernández Cirelli, 2012). Representa la cantidad de oxígeno que se requiere para oxidar todo compuesto químico presente en el agua (orgánico e inorgánico), utilizando agentes oxidantes en un medio acido. La DQO no es una prueba totalmente fiable, pues no diferencia entre el material oxidado inorgánico del orgánico, pero aun así es un método muy usado por su facilidad en el laboratorio (Universidad Central de Colombia, 2002). En este caso el elemento principal es el ion dicromato (Cr2O7-2) y no el oxígeno (O2), es decir, se usa un oxidante químico, siendo el dicromato de potasio, para reaccionar con prácticamente toda la materia orgánica
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
presente. Utilizando además ácido sulfúrico y calor (150°C); y un agente reductor (Fe+2) (Fernández Cirelli, 2012).
• Sólidos suspendidos. - Compuestos que se encuentran en aguas naturales, permaneciendo en estado solidos aun después de la evaporación. Dentro de los sólidos suspendidos tenemos a los sólidos suspendidos totales (SST) que son la fracción de la materia suspendida que es retenida en un filtro con un diámetro de poro de 0,45 micrómetro, y los sólidos disueltos totales (SDT) que son los residuos que quedan después de evaporar el agua previamente filtrada (Universidad Central de Colombia, 2002).
• Determinación por carbono orgánico total (COT). - El Carbono orgánico total se refiere a la cantidad de carbono que se encuentra unido a compuesto órganos dentro del agua, utilizado comúnmente para la materia orgánica suspendida y disuelta. Su determinación se basa en la medición de la cantidad de dióxido de carbono generado en la oxidación total de la materia orgánica, esta medición se puede realizar volumétricamente, conductividad térmica o una sonda específica (Fernández Cirelli, 2012).
3.1.5. EL AGUA EN PERÚ
El Perú es un país con gran diversidad geográfica, climática y ecológica, poseyendo la gran mayoría de zonas de vida del mundo. Es considerado uno de los 20 países con mayor dotación de agua, siendo según el ANA 57,132 hm3 /per cápita y contando con un volumen anual promedio de 1’768,172 hm3 de agua (ICA (Instituro Científico del Agua), 2017) (Autorida Nacional del Agua (ANA), 2017).
A pesar de la abundancia del recurso hídrico en el país, como en muchos otros países, su distribución es de manera desigual; disponiendo solo de 2.74% para la región con mayor población y de 97.26% para las zonas con menor población (ICA (Instituro Científico del Agua), 2017) (Kuroiwa, 2012).
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
La costa peruana es la región con mayor población, debido a la migración de las personas que buscan mejora en la calidad de vida. Teniendo esto en cuenta y el crecimiento demográfico se presupone que para el 2025 se presenten 2 posibles escenarios, si la tasa del crecimiento poblacional es baja se presentará un estrés hídrico, pero si la tasa es alta el estrés hídrico se convertirá en escasez hídrica (ICA (Instituro Científico del Agua), 2017).
Según cifras del ONERN en 1985 la disponibilidad del agua por habitante era 120 032 m³/año, en comparación con el valor dado por el ANA, se puede concluir que la disponibilidad de agua a nivel nacional ha disminuido en más del 40%, debiéndose a la disminución del recurso hídrico y al aumento desmesurado de la población (ICA (Instituro Científico del Agua), 2017).
Si bien es cierto, el crecimiento de la población, tanto mundial como nacional, ha generado la disminución de la disponibilidad del agua, existen también otros factores que contribuyeron a agravar la situación, estos factores son el ineficiente manejo de su uso, inadecuada o nula gobernabilidad del recurso, y el despilfarro de agua (ICA (Instituro Científico del Agua), 2017).
Aun así, en las últimas décadas se ha tratado de cambiar la perspectiva del consumo del agua que se tiene, optando por una mejor comunicación y concientización para un uso eficiente y adecuado del agua (ICA (Instituro Científico del Agua), 2017).
El agua ha tomado el papel principal en casi todas las actividades humanas, desde el empleo en muchas de las funciones vitales (doméstica), en su empleo en diversas actividades de producción, en la generación de energía, así también en ser el pilar para la regulación y el cuidado ambiental (ICA (Instituro Científico del Agua), 2017).
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
El Diagnóstico de la Calidad de los Recursos Hídricos del Perú, correspondiente a un periodo de evaluación iniciado en abril de 2010 a diciembre 2012, señala que de un total de 159 unidades hidrográficas, 35 unidades hidrográficas presentaron, en promedio, concentraciones de los parámetros pH, conductividad eléctrica, coliformes termotolerantes, demanda bioquímica de oxígeno, arsénico, mercurio, cadmio, plomo y hierro por encima de los ECA-Agua aprobados el año 2008 (correspondientes a la Clasificación de los cuerpos naturales de agua superficial aprobada con Resolución Jefatural N.º 202-2010-ANA). Este resultado está asociado a los vertimientos de aguas residuales no autorizados, pasivos ambientales, residuos sólidos y condiciones naturales (factores geológicos, ambientales e hidrológicos) (Derecho, Ambiente y Recursos Naturales (DAR), 2017).
3.1.5.1. DISTRIBUCIÓN DE LOS USOS DEL AGUA EN EL PAÍS
En el Perú, los usos del agua son clasificados en dos grupos: consuntivos y no consuntivos, de la demanda total de agua el 52% corresponde al uso consuntivo y el 48% al uso no consuntivo. (Derecho, Ambiente y Recursos Naturales (DAR), 2017) El uso consuntivo es definido como el consumo y extracción del agua de la fuente, considerando entre ellos el uso doméstico, minero, agrícola, industrial y otros. Los usos no consuntivos tienen como característica el uso del agua en la fuente sin la necesidad de su remoción, aunque esto puede generar el cambio en sus características físicas, químicas o biológicas, entre estos usos está el uso hidroeléctrico, transporte, pesquero y otros (ICA (Instituro Científico del Agua), 2017).
Realizando la comparación del inventario realizado en 1984 por el ONERN y la data del ANA en el 2016, se observa un aumento en el uso del agua para el uso consuntivo y no consuntivo. El aumento en el uso consuntivo se da sobre todo en el uso poblacional, agrario, e industrial. Si se habla del uso no consuntivo, su aumento se debe principalmente a la mayor
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
importancia que ha tenido en estas décadas el sector energético, el cual emplea mayores cantidades del recurso hídrico (ICA (Instituro Científico del Agua), 2017).
Para el año 2000 el volumen de agua para el uso consuntivo es de 18.972 hm3, 85.7 % corresponden al uso agrícola, 6.7 % uso potable, 6.1 % uso industrial, 1.1 % uso minero y 0.4 % al uso Pecuario (Emanuel & Escurra, 2000). Dentro del uso no consuntivo, el consumo es en mayor parte por la generación de energía hidroeléctrica (Kuroiwa, 2012).
a) Uso agrícola
En el Perú la agricultura ha sido una actividad sumamente importante desde tiempos prehistóricos, el 30,1% de la superficie peruana es destinada para el desarrollo de la actividad agrícola. Por las condiciones geográficas y climatológicas es en la Sierra donde se extiende el mayor porcentaje de las áreas de cultivo, seguida por la Selva y por último la Costa (debido al déficit hídrico que presenta la región).
Aún con la larga historia de la actividad agraria en el país, existe una gran ineficiencia en el uso del agua para esta actividad (ICA (Instituro Científico del Agua), 2017).
En el sector agrícola se suele emplear agroquímicos, y los que son arrastrados a diferentes cuerpos de agua o son absorbidos por el suelo. Generando la contaminación de diferentes recursos (Emanuel & Escurra, 2000).
b) Uso industrial
En la industria el uso del agua es principalmente para la producción de vapor, refrigeración o como insumo para parte del proceso (Emanuel & Escurra, 2000).
En el sector industrial el agua de consumo de alta calidad se da cuando el agua es un componente primario y esencial del producto final; y de baja calidad cuando el agua solo se usa dentro del proceso y luego se desecha.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Dentro de toda actividad industrial existe la generación de desechos y efluentes, muchas veces estos tienen como destino final las fuentes naturales, siendo necesario la regulación de estos (ICA (Instituro Científico del Agua), 2017).
Tabla 1
Uso de agua en el consumo y producción de productos
Tipo de Industria Consumo de agua [m3/t] Producción [m3/t]
Lácea (Leche) 0.7 - 2 0.7 – 1.7
Láctea (queso) 0.7 – 3 0.7 – 2
Alimentarias
Mataderos (aves y ganado)
3 – 8 3 - 8
Bebidas alcohólicas 3 – 7 3 – 7
Cervecería 3 - 7 3 - 7
Conservas Vegetales 20 - 30 20 – 30
Conservas de pescado 8 - 15 4 - 8
TOTAL 38.4 - 72 34.4 – 63.7
Algodón 100 - 250 100 - 250
Lana (producción) 50 – 100 50 – 100
Textil
Lana (lavado) 100 – 250 100 - 250
Fibras sintéticas 150 – 250 150 -250
TOTAL 400 – 850 400 – 850
Curtido de piel 20 – 70 20 - 70
Lavadora industrial 20 – 60 20 – 60
TOTAL GENERAL 478.4 – 1052 474.4 – 1043.7
Nota: Información obtenida mediante (TYSA, 2012)
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
c) Uso minero
El Perú es uno de los principales productores de plata, zinc, oro, así como de otros metales, volviéndose una actividad de relevancia económica para el país. Se estima que el consumo de agua por la minería es 206,8 Mm3/año (Kuroiwa, 2012).
Dentro del sector minero el agua es utilizada en altas cantidades, y el agua que utilizan es de fuentes de agua cercanas, a lo largo de los años los vertidos provenientes de la minería han generado la contaminación de los cuerpos de agua, por lo que se ha exigido un mayor control, lo que ha generado una mayor preocupación por el uso eficiente de este recurso (ICA (Instituro Científico del Agua), 2017). Los sitios donde se desarrolló la actividad minera presentan diferentes problemas, especialmente las no reguladas, en las que no se le da un tratamiento de cierre, o erosión de relave expuestos en el ambiente (Kuroiwa, 2012).
d) Uso poblacional
El uso poblacional ha ido aumentando, sobre todo en la costa, donde es donde se centra la mayor parte de la población nacional; esto origina un déficit de la oferta y la demanda (Emanuel & Escurra, 2000).
Las aguas residuales servidas generalmente no son tratadas, por las escasas plantas de tratamiento en el país, estas aguas son descargadas en los cuerpos de agua contaminándolo, al medio ambiente y a la salud de las personas. Las cifras de la Organización Panamericana de la Salud muestran que el 80% de los casos hospitalarios de enfermedades, se deben al consumo de agua contaminada (Kuroiwa, 2012).
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
e) Uso energético
Al hablar de uso energético hablamos de uso no consuntivo. En la generación de energía hidroeléctrica se emplea aproximadamente 11,138.6 Hm3 de agua (Emanuel & Escurra, 2000). El Perú por su topografía y su disponibilidad hídrica, ha generado el desarrollo de la producción eléctrica por fuentes renovables, (ICA (Instituro Científico del Agua), 2017).
3.2. COLORANTES EN EL AMBIENTE (PROBLEMÁTICA)
Hoy en día, la industria hablando específicamente de la industria textil y curtiduría, ha aumentado su consumo de en la utilización de colorantes, encontrándonos con más de 10000 tipos de colorantes sintéticos en el mercado. En conjunto al uso de los colorantes, estas industrias utilizan al mismo tiempo grandes cantidades de agua, las que después en muchos casos no son tratadas, siendo efluentes que contaminan los cuerpos de agua y el ambiente.
Tabla 2
Concentraciones de color y cantidad de agua generada por industrias
INDUSTRIA
CONCENTRACIÓN DE COLOR (UNIDADES HAZEN)
CANTIDAD DE AGUA GENERADA (M3/TON)
Azucarera 150-200 0.4 m3/Ton caña triturada
Cervecería 200-300 0.25 m3/Ton cerveza producida Destilería 200-300 12 m3/Ton de alcohol producido
Curtido 400-500 28 m3/Ton de piel
Pulpa y papel 100-600 175 m3/Ton de papel
Textil 1100-1300 120 m3/Ton de fibra
Nota: Información obtenida mediante (Ademoroti, Ukponmwan, & Omode, 1992)
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Dentro de los colorantes existe una gran variedad, clasificándose por su estructura o su método de aplicación. Las aguas residuales en procesos donde se han utilizado colorantes, contienen grandes cantidades de estos, pues no se logran remover con los tratamientos de aguas convencionales (Kuhad, Sood, Tripathi, Singh, & Ward, 2004) (Dos-Santos, Cervantes, & Van-Lier, 2007).
En la estructura del colorante existe un grupo responsable de dar el color denominado “grupo cromóforo”. Dentro de los más comunes están los azo (-N=N-); que son el 30% de todos los colorantes, pero representan al 70% del total usado en las industrias (Christie, 2001).
Tabla 3
Clasificación de colorantes por estructura química
Familia Grupo Cromóforo Familia Grupo Cromóforo
Azoicos Sulfuro
Antraquinonas Polimetino
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Ftalocianina Nitro
Ion arilcarbonio
Nota: Elaborado por los autores.
En muchas investigaciones se ha comprobado que muchos colorantes del grupo azo pueden tener efectos mutagénicos y carcinogénicos, he incluso que los productos de su degradación resulten ser aún más tóxicos (Brown & De Vito, 1993) (Gavril & Hodson, 2007).
Los colorantes son visibles, incluso en bajas concentraciones. En muchos países ya existen regulaciones para su concentración en cuerpos de agua, por lo que se han buscado tecnologías que permitan la eliminación del color de sus efluentes, con el fin de reciclar las grandes cantidades de agua que se utilizan en los diferentes procesos (Kandelbauer &
Guebitz, 2005).
Para el tratamiento de efluentes contaminados con colorantes existen métodos que se pueden aplicar de manera eficiente, sin embargo, muchas de las tecnologías se deben aplicar específicamente para ciertos colorantes, además del costo es altamente elevado; por lo que dentro de la industria su uso no resulta viable, optando por no realizar tratamiento (Kuhad, Sood, Tripathi, Singh, & Ward, 2004) (Anjaneyulu, Sreedhara-Chary, & Suman-Raj, 2005).
Dentro de algunos métodos efectivos encontramos a los procesos de oxidación avanzada (POA) (Moraes, Freire, & Duran, 2000).
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
3.3. PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADA
Los procesos de oxidación avanzada (POA) son procesos fisicoquímicos que generan cambios en la estructura química de los contaminantes, donde se hacen presente especies transitorias altamente poderosas, como el radical hidroxilo (OH°) que es altamente oxidante (Legrini, Oliveros, & Braun., 1993).
Los radicales OH° que se generan, son los causantes de la oxidación de la materia orgánica, que en condiciones óptimas logran la completa mineralización de los contaminantes. Gracias a la alta reactividad de estos radicales, no solo es posible la oxidación de componentes orgánicos, sino también de los inorgánicos, teniendo como resultado la disminución de los valores de DQO, toxicidad y COT en los efluentes.
En los POA generalmente se realiza la combinación de oxidantes, catalizadores, o radiación, esto permite la aceleración del proceso, y a reducir los costos.
Así pues, los POA pueden clasificarse en dos grupos en función la aplicación de luz dentro del proceso: fotoquímicos y no fotoquímicos; (Monge, Silva, & Bengoa, 2017) (Gogate &
Pandit, 2004).
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Tabla 4
Clasificación de los Procesos de Oxidación Avanzada
Procesos no fotoquímicos Procesos fotoquímicos
Ozonización Ultravioleta de vacío
Ozonización con H2 O2/O2 UV/H2O2
Procesos Fenton UV/O3
Oxidación electroquímica Foto-Fenton y relacionadas
Radiólisis y tratamiento con haces de electrones
Fotocatálisis heterogénea: con semiconductores, con sensibilizadores
orgánicos de transición Plasma no térmico
Descarga electrohidráulica y ultrasonidos
Oxidación en agua subcrítica y supercrítica
Nota: Información obtenida mediante (Monge, Silva, & Bengoa, 2017) 3.3.1. VENTAJAS DE LOS POA
Dentro de las principales ventajas de los POA en comparación a los métodos de tratamiento convencionales, tenemos:
• El contaminante es transformado y reducido hasta su mineralización.
• En el proceso, generalmente no se generan subproductos que requieran de un tratamiento posterior.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
• Los reactivos que se utilizan generalmente se descomponen durante el proceso.
• La biodegrabilidad de las aguas residuales aumenta, lo que hace que se pueda eliminar los contaminantes refractarios presentes, que no pueden ser eliminados mediante otros tratamientos.
• Son muy útiles para contaminantes refractarios que resisten otros métodos de tratamiento, principalmente el biológico (Forero, Ortiz, & Rios, 2005).
3.3.2. DESVENTAJAS DE LOS POA
Entre las desventajas, se tiene:
• Tienen un elevado consumo de energía, mayormente la eléctrica, lo que económicamente no lo hace factible.
• Los tiempos de reacción, en algunos casos, son altos.
• Requiere de grandes costos de inversión, y ejecución.
Al tener como principal desventaja el costo económico, se han planteado estrategias, como la combinación con otras tecnologías, o el uso principal de energía renovable, así como nuevos diseños de fotorreactores y procesos de operación (Malato, Fernández-Ibañez, Maldonado, Blanco, & Gernjak, 2009).
3.4. FOTOCATÁLISIS
El motor de la fotocatálisis es la radiación UV y/o visible. La fotocatálisis origina el aumento de velocidad en las reacciones fotoquímicas utilizando un catalizador, generando la eliminación de la materia orgánica y los metales presentes en el agua residual.
Muchos contaminantes no tienen la capacidad de capturar fotones por sí mismos, por lo que la fotocatálisis es de suma importancia; pues se emplea un catalizador, también llamado
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
sensibilizador, para la absorción de la energía radiante y que aceleración de la reacción de oxidación (Parra, 2001).
La fotocatálisis es un proceso en el que la energía solar puede ser aprovechada directamente, disminuyendo los costos de operación; esto solo es posible por el empleo de un catalizador.
Mediante la fotocatálisis se generan especies oxidantes, el más conocido es el hidroxilo OH°, que, al reaccionar con los contaminantes en un medio acuoso, los degrada hasta CO2, agua y otras sales (Mills & Hunte, 1997).
Existen dos técnicas dentro de la fotocatálisis: la fotocatálisis homogénea, donde el sistema solo cuenta con una fase; y la fotocatálisis heterogénea, donde el catalizador se encuentra en estado sólido.
3.4.1. FOTOCATÁLISIS HOMOGÉNEA
Se define a la fotocatálisis homogénea como una reacción en la que se encuentran presentes una especie capaz de absorber fotones, un sustrato o reactivo y luz; el catalizador se encuentra disuelto (Vidal, Rodríguez, & Blanco, 2002).
3.4.2. FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA
Es un proceso, en donde se emplea un fotocatalizador o semiconductor, el cual absorbe fotones de luz, generando especies reactivas, que dan lugar a reacciones de oxidación y reducción, esto se conoce como foto-activación (Blanco, y otros, 2001).
En la fotocatálisis heterogénea el semiconductor es el elemento de mayor importancia, esto se debe a que sus orbitales moleculares tienen estructura de banda, siendo las de mayor interés las bandas de valencia y bandas de conducción, las cuales se encuentran distanciadas una de la otra por la denominada “distancia energética entre bandas” (band gap). Al irradiar al semiconductor con una luz de energía mayor que la distancia energética entre bandas, un
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
electrón migra de la banda de valencia a la de conducción, generando un hueco en la banda de valencia.
Así pues, se crean los pares electrón-hueco, los cuales se trasladan a la superficie, reaccionando con las especies adsorbidas. La reacción con los huecos fotogenerados es llamada foto-oxidación y la reacción con los electrones en la banda de conducción, es la llamada foto-reducción. Si los pares de electrón-hueco no llegan a separarse, se recombinan disipándose la energía (Linsebigler, Lu, & Yates, 1995).
3.4.3. FOTOCATALIZADOR
Existen diferentes materiales que pueden ser comportase como fotocatalizadores, como ZnO, WO2, TiO2, CdS, ZnS, óxidos de hierro y otros, estos se excitan al absorber radiaciones con una longitud de onda mayor a 310nm (Morrison, 1997)
Dentro de los fotocatalizadores más utilizados, encontramos a los óxidos metálicos; siendo el TiO2 el más popular, esto debido a su bajo coste económico, estabilidad y a la amplitud de rango de pH en la que pueden trabajar.
El dióxido de titanio como producto, tiene diferentes usos, como: protector solar, pigmentos blancos en pinturas, compuestos farmacéuticos, dentro de la industria cosmética, entre otros (Skocaj, Filipic, Petkovic, & Novak, 2011). Pero se ha visto incrementado su uso en el tratamiento de aguas residuales, aún más como fotocatalizador solar, ya que el dióxido de titanio puede activarse por radiación con longitudes de onda hasta de 380 nm, y la longitud de onda de la radiación solar inicia aproximadamente en los 300 nm (Malato S. , 2004) El dióxido de titanio presenta tres formas cristalinas, siendo: anatasa, rutilo y brookita; pero la anatasa y rutilo son los que tienen actividad fotocatalítica (Diebold, 2003).
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
3.4.4. PARÁMETROS DE LA FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA CON TIO2
Hay diferentes factores dentro de las reacciones (oxidación-reducción) en la fotocatálisis, que influyen de manera cualitativa y cuantitativa:
• pH: En la fotocatálisis es necesario que la superficie del óxido (catalizador) no esté cargado, es decir, trabajar a un pH en diferente a el punto de carga cero. El pH no solo altera las propiedades superficiales del catalizador; sino también al compuesto que se desea degradar, alterando la velocidad de la degradación.
El punto isoeléctrico o de carga del TiO2 es encontrado en valores muy cercanos al pH 7, y valores diferentes (mayores o menores) harán que se cargue positiva o negativamente.
Generalmente, el medio ácido (3<pH<5) es el más eficiente para el proceso de fotocatálisis; y si nos enfocamos en el TiO2.
• Oxigeno: Dentro las reacciones que ocurren en la fotocatálisis, el oxígeno es de suma importancia para la mineralización del contaminante. Su concentración afecta de manera directa la velocidad de reacción, pues al aumentar la presión de oxígeno, aumenta la velocidad de reacción.
• Intensidad de radiación: Este parámetro afecta la velocidad de la reacción de manera proporcional, hasta cierta intensidad, desde donde la velocidad de reacción se mantiene constante (Monge, Silva, & Bengoa, 2017).
• Concentración del Catalizador: El área superficial del catalizador, el tamaño de partícula, la forma y la ausencia de porosidad interna, influyen en la reacción.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
La concentración óptima del catalizador se da cuando todas sus partículas estén iluminadas, sin crear un efecto pantalla que no permita en paso de luz, originado por un exceso de catalizador.
Para el caso de TiO2 como catalizador, se ha comprobado que su concentración óptima, para tener una absorción eficiente y total de fotones, es dentro del intervalo de 0.1 a 5.0 g/l (Kanmani & Thanasekaran, 2003).
3.4.5. MECANISMO DE REACCIÓN
(Herrmann, 2005) describe de manera detallada los mecanismos de degradación de contaminantes orgánico. El proceso fotocatalítico inicia con la absorción de un fotón de energía mayor o igual al ancho de banda del semiconductor (band gamp).
Esta excitación energética origina que un electrón se desplace de la banda de valencia a la banda de conducción, generándose un hueco en la banda de valencia (H+).
Si el TiO2 es el fotocatalizador, el proceso inicia con la absorción de energía radiante con una longitud de onda menor a los 380nm, lo que da a lugar a los pares de electrón-hueco.
Esto está representado en la ecuación 1 y en la siguiente Figura 2.
TiO2 + hv → TiO2 (e- + h+) (1)
Con las especies redox en la superficie del semiconductor y bajo radiación, inician de manera simultánea las reacciones de oxidación y reducción; en lo huecos se dan lugar las reacciones de foto-oxidación y en los electrones que migraron a la banda de valencia se dan lugar las reacciones de foto-reducción.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
2
Figura 2. Esquema de los procesos redox en la interfase semiconductor-electrolito
Nota: Representación gráfica de reacciones de fotoreducción y fotooxidación obtenida de (Parra, 2001).
Los huecos migran a la superficie del catalizador para luego reaccionar con sustancias adsorbidas, en particular con agua (ecuación 2) o con iones OH- (ecuación3), generando radicales OH-.
TiO2 (h+) + H2O → TiO2 + OH·ad + H+ (2)
TiO2 (h+) + OH-ad → TiO2 + OH·ad (3)
Generalmente, la fotocatálisis se lleva a cabo en ambientes aeróbicos, teniendo así al oxígeno adsorbido como la principal especie aceptora de electrones (ecuación 4).
TiO2 (e-) + O2 → TiO2 + O·- (4)
Si exístela adición de H2O2 la velocidad de degradación de los contaminantes aumenta, esto posiblemente por la generación de radicales OH· extra (ecuación 5) (Parra, 2001).
TiO2(e-) + H2O2 → TiO2 + OH- + OH· (5)
O2 ·-
O2
h
H2O/OH- ; R
OH· ; R+
OH· + R → Intermedios → CO2 + H2O
TiO2
e- + H2O2 → OH· + OH-
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
Los contaminantes orgánicos adsorbidos en la superficie de las partículas de dióxido de titanio, son oxidados por los radicales hidroxilos generados durante el proceso.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
IV.
MATERIALES Y MÉTODOS4.1. MATERIALES, REATIVOS Y EQUIPOS
4.1.1. MATERIALES
• Fiolas (50, 100 y 200 mL).
• Gradilla, 60 tubos.
• Pastillas de agitación.
• Matraces (250 mL)
• Parafilm.
• Pisetas FISHER SCIENTIFIC CO.
• Probeta (100 y 250 mL).
• Tubos de ensayo.
• Vasos de precipitación 250 ml.
4.1.2. REACTIVOS QUÍMICOS
• Ácido fosfórico al 10%.
• Agua desmineralizada.
• Colorante en polvo (AB).
4.1.3. EQUIPOS
• Agitador magnético (SHCHEER).
• Balanza analítica Marca (BOECO GERMANY).
• Centrífuga (LABNET).
• Espectrofotómetro UV-Vis (NANOCOLOR).
• Micropipeta digital 100-1000 uL (DRADONLAB).
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
• Potenciómetro (WATERPROOF).
4.2. METODOLOGÍA
4.2.1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
4.2.1.1. ORIGEN Y ALMACENAMIENTO DE MUESTRA
• La muestra fue elaborada mediante la dilución del colorante orgánico (AB), la cual fue brindada por la empresa curtidora “Ecológica del Norte” en su estado sólido.
4.2.1.2. Preparación de muestra
• Se pesaron 0.8 gr de colorante para ser diluidos en 4 L de agua desmineralizada, de esta manera se obtuvieron 4 litros de solución estándar inicial, a una concentración de [200ppm].
• La muestra se almacenó en lugar oscuro y en un recipiente de vidrio color ambar, de esta manera se evitó el contacto solar, anulando cualquier reacción que pueda generar errores en la presente investigación.
• Finalmente, se diluyó la muestra a concentraciones de 100, 75 y 50 ppm, cada una de estas concentraciones pasó por un proceso de acidificación empleando H3PO4, hasta pH [3, 4 y 5] como en (Bernal, Hernández, Berber, & Martínez, 2017), obteniéndose así 9 tratamientos.
• Una pequeña muestra, previo a el inicio del tratamiento se almacenó para realizar pruebas y análisis iniciales.
Biblioteca de la Facultad de Ingeniería Química
4.2.1.3. DETERMINACIÓN DE LONGITUD DE ONDA MÁXIMA
• Una alícuota de muestra estándar inicial, fue diluida hasta una concentración de 50 ppm, para determinar el punto de máxima absorbancia; por ende, la longitud de onda máxima (λmáx), dentro del espectro visble [320nm a 780nm]
haciendo uso del Espectrofotómetro UV-Vis (NANOCOLOR), mostrado en la Figura 3.
• Para asegurar que la modificación de pH, no afecte su [λmax], se realizó análsis de cada muestra acidificada.
Figura 3. Longitud de onda máxima
Nota: Identificación de la longitud de ondda máxima haciendo uso del equipo Espectrofotómetro UV-Vis (NANOCOLOR), perteneciente al Laboratorio de Investigación en Aguas.
4.2.1.4. CURVA DE CALIBRADO
• Mediante el empleo de un espectrofotómetro UV-vis se determinaron las absorbancias de las muestras de colorante (AB), preparadas a distintas