ENERGÍA A SOLAR EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS: PRESENTE Y PERSPECTIVAS DE FUTURO

(1)

JORNADA TÉCNICA ESTACIONES DE TRATAMIENTO DE

AGUAS (UNIZAR)

ENERG

Í

A SOLAR EN EL TRATAMIENTO

DE AGUAS: PRESENTE Y

PERSPECTIVAS DE FUTURO

Dr. Manuel Ignacio Maldonado

CIEMAT (Plataforma Solar de

Almer

Almerí

ía)

a)

(2)

JORNADAS TÉCNICAS ESTACIONES DE TRATAMIENTO DE AGUAS. ZARAGOZA, 10 MAYO 2010.

1. Introducción

2. Tratamiento de aguas industriales

3. Tratamiento de aguas urbanas

(3)

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n

Características de

tratamientos biológicos

(aerobios)



Compuestos biodegradables.



DQO < 500 mg/L.



Bajo coste.



Sensibles a compuestos tóxicos

(4)

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n

Sustancias biodegradables:

 Biofiltros/ fangos activados

Las sustancias biodegradables pueden ser

 No-tóxicas / inertes al tratamiento

 Tóxicas de manera instantánea (aguda)

 Tóxicas a largo plazo (crónicas)

Tratamientos

alternativos

(5)

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n



Residuos de la industria

farmacéutica.



Metales pesados.



Nitro y halofenoles.



Desinfección de agua.



Disolventes (clorados, VOCs, etc).



Residuos de la industria textil.



Alpechín.



Aguas contaminadas con cianuros.

(6)

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n

Industria

Depuradora

Deposición

Sedimentación

Lodos

Absorción

Acumulación

Inhalación

Ingesta

Agricultura

Lixiviación/

transporte

Ingesta

(7)

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n

Aguas residuales industriales conteniendo

contaminantes no biodegradables < 500

mg

/L

Tratamientos

disponibles

I

n

cinera

ci

ó

n

Carb

ó

n

activo

Ozon

o

Bio

t

rat

a

m

iento

•Alto coste

•Residuos tóxicos

•Alto consumo

energético

Destrucción

parcial

No viable

No destructivos

(8)

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n

Especie

Potencial de

Oxidación

Flúor

2.23 Radical hidroxilo

2.06 Oxígeno atómico

1.78 Peróxido de Hidrógeno

1.31 Radical peróxido

1.25 Permanganato

1.24 Ácido hipobromoso

1.17 Cloro dióxido

1.15 Ácido hipocloroso

1.10 Cloro

1.00 Bromo

0.80 Iodo

0.54 Se caracterizan por ser una fuente de radicales hidroxilo (



OH).

“Procesos de tratamiento de aguas a temperatura ambiente y presión

atmosférica que suponen la generación de radicales hidroxilo en suficiente

(9)

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n

OH

Cl

O

Cl

O

Cl

O

Cl

O

Cl

O

H

.

O

Cl

O

Cl

OH

.

OH

-H

₂

O

.

_OH

.

_OH

-HCl

CO

₂

Acidos inorgánicos

Agua



_OH

(10)



Inhibition of bacterial activity



Toxicity effects



Pollutants “pass through” the bioreactor



Not able to oxidize pollutants

Biological Treatment

Organic

Biorecalcitrant

Pollutants

“Clean”

Effluent

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n

Treatment Possibilities

(11)

Biological Treatment

Organic

Biorecalcitrant

Pollutants

“Clean”

Effluent

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n

Treatment Possibilities



Generation of a concentrated effluent



Entails a transference of the problem to

another phase

(12)

Biological Treatment

Organic

Biorecalcitrant

Pollutants

“Clean”

Effluent

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n

Treatment Possibilities

Separation Technology

A

dvanced

O

xidation

P

rocesses

Feasible for accelerating the oxidation and destruction of a wide range

of organic contaminants in polluted water

(13)

O

₃

/OH

-O

₃

/H

₂

O

₂

Fenton y relacionadas

Oxidación electroquímica

Radiólisis  y con haces de electrones

Plasma no térmico

Sonólisis y descarga electrohidráulica

Oxidación en agua sub/y supercrítica

Hierro cerovalente

No fotoquímicos

1.

(14)

Fotólisis directa

Procesos sensibilizados por colorantes

Fotólisis UVV del agua

UV/H

₂

O

₂

UV/O

₃

Foto-Fenton y relacionadas

Fotocatálisis heterogénea

Fotoquímicos

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n

(15)

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n



H

₂

O

₂

/Fe

2+

(Fenton):



H

₂

O

₂

/Fe

2+

(Fe

3+

)/UV (Foto-Fenton):



TiO

₂

/h/O

₂

(Fotocatálisis):



O

₃

/ H

₂

O

₂

:



O

₃

/ UV:

H

O

/UV:







_

_

_

OH

Fe

O

H

Fe

2 ₂

₂

3 



_

_{ }

_

_

OH

Fe

h

Fe

3 

2 



_



 



h

e

h

TiO

₂









_

_

_

H

OH

O

H

h

2 



_

_

_



 





₃

₂

2

2 O

H

HO

O

HO

H

HO

2 



O

3 

HO

2 



O

3 









_

_

2

2 H

O

HO

O

₂







O

₃



O

₂



O

₃





O

₃







H





HO

₃



2

3 OH

O

HO









HO



O

3 

HO

2 

O

2 



2

1

3 h

O

(

D

)

O



 







2

1 ₍

₎

O

H

O

H

D

O







_H

₂

_O

₂





hv



₂

_OH





 



h

_OH

O

H



2

(16)

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n



H

₂

O

₂

/Fe

2+

(Fenton):



H

₂

O

₂

/Fe

2+

(Fe

3+

)/UV (Foto-Fenton):



TiO

₂

/h/O

₂

(Fotocatálisis):



O

₃

/ H

₂

O

₂

:



O

₃

/ UV:



H

₂

O

₂

/UV:







_

_

_

OH

Fe

O

H

Fe

2 ₂

₂

3 



_

_{ }

_

_

OH

Fe

h

Fe

3 

2 



_



 



h

e

h

TiO

₂









_

_

_

H

OH

O

H

h

2 



_

_

_



 





₃

₂

2

2 O

H

HO

O

HO

H

HO

2 



O

3 

HO

2 



O

3 









_

_

2

2 H

O

HO

O

₂







O

₃



O

₂



O

₃





O

₃







H





HO

₃



2

3 OH

O

HO









HO



O

3 

HO

2 

O

2 



2

1

3 h

O

(

D

)

O



 







2

1 ₍

₎

O

H

O

H

D

O







_H

₂

_O

₂





hv



₂

_OH





 



h

_OH

O

H

₂



2 CATÁLISIS

+

SOL

(17)

FOTOREACTORES SIN CONCENTRACION

Un gran

número de

colectores sin

concentraci

ó

n

han sido

diseñados en

los últimos

años

VENTAJAS

• Menor coste (no hay partes móviles ni

sistema de seguimiento solar y sus

componentes son mucho más simples).

• Estructura simple y fácil de instalar.

• Operación y mantenimiento con poca mano

de obra.

1.

(18)

1.

(19)

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n

Sin embargo, el diseño de

reactores robustos no es

sencillo debido a los

requerimientos de:



Resistencia a la intemperie.



Baja pérdida de carga.



Elevada transmitancia en el

UV.



Operación a elevadas

(20)

1.

4. Introducci

Introducci

ó

n

4. Caracter

Caracter

í

sticas de los distintos sistemas

…

Nuestra elección:

COLECTORES PARABÓLICOS COMPUESTOS



Flujo turbulento



No vaporización



Sin seguimiento solar



No sobrecalentamiento



Radiación difusa y directa



Bajo coste



Alta eficiencia óptica

(21)

1.

4. Introducci

Introducci

ó

n

(22)

1.

4. Introducci

Introducci

ó

n

(23)

1.

4. Introducci

Introducci

ó

n

(24)

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n

2 for

r



_a



















a a a a a

2

3

2 for

sin

1 cos

2 r































Parte A-B

Parte B-C

Si



_a

= 90



C = 1

One

Sun CPC (C = 1)



Toda la radiaci

_{Toda la radiaci}

ó

n directa y difusa se pueden

captar (la difusa es una componente muy importante de la UV sola

r).



_



_



A

S

O

B

x

y

R

C

r

a

sin

1 C







_



_



A

S

O

B

x

y

R

C

r

a

sin

1 C





(25)

1.

1. Introducci

Introducci

ó

n

NUEVAS NORMATIVAS

MEDIOAMBIENTALES: IPPC (1996),

WFD (2000), Ley Envases (2000),...

FOTOCATÁLISIS EN

PLANTAS PILOTO

INTERÉS CIENTÍFICO

(nuevos grupos)

PRIMERAS NORMATIVAS MEDIOAMBIENTALES

ALTERNATIVAS CARAS: GAC, “AIR

STRIPPING”, INCINERACIÓN,...

1976

2010

FOTOCATÁLISIS EN LABORATORIO (INVESTIGACIÓN BÁSICA)

DESARROLLO DE

COLECTORES

SOLARES

DESARROLLO DE PROCESOS

(nuevos catalizadores, uso de

oxidantes, fotoFenton,...)

APLICACIONES

MARKETING

(26)

1. Introducción

2. Tratamiento de aguas industriales

3. Tratamiento de aguas urbanas

(27)

2. Tratamiento de aguas industriales

1. USO DE PLAGUICIDAS

EN PRÁCTICAS AGRÍCOLAS

2. RESIDUOS VEGETALES

4. VERTIDOS PROCEDENTES

DE INDUSTRIAS AGRARIAS

3. AGUAS DE LAVADO DE

EQUIPOS DE TRATAMIENTO

5. VERTIDO INCONTROLADO DE

ENVASES DE PLAGUICIDAS

(28)

La agricultura

intensiva es una

actividad muy

importante para

Almería (2000

MEuro). Hay más de

35.000 Ha de

invernaderos. Los

problemas

medioambientales

asociados a él son

diversos. Uno de estos

problemas es el

derivado de la

utilización de

productos

fitosanitarios.

Area: 50 km x 30 km

El Ejido

Area

2. Tratamiento de aguas industriales

(29)

Recogida Selectiva

Transporte a la

planta de reciclado

Lavado del plástico

Agua contaminada

con cientos de

mg/L de

plaguicidas

5,200 Tm

fitosanitarios =

2 millones de envases

(plástico)

Area: 50 km x 30 km

El Ejido

Area

2. Tratamiento de aguas industriales

(30)

PLAN

T

A

DE

RECICLADO DE PLÁST

ICO

>100

<10

FOTOCATÁLISIS

SOLAR

PLAN

T

A

DE

RECICLADO DE PLÁST

ICO

>100

<10

FOTOCATÁLISIS

SOLAR

PLAN

T

A

DE

RECICLADO DE PLÁST

ICO

>100

<10

FOTOCATÁLISIS

SOLAR

PLAN

T

A

DE

RECICLADO DE PLÁST

ICO

>100

<10

FOTOCATÁLISIS

SOLAR

Condiciones de diseño:



Reducción del 90% del COT

mediante fotocatálisis.



Reuso del agua.

0 50 100 150 200 250 300 0 20 40 60 80 100 120

TO

C,

m

g

L

-1

Q

_UV

, kJ L

-1 0 50 100 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 rQ,0 , m g k J -1 TOC₀, mg L-1

Descomposición de la mezcla de

plaguicidas a diferentes

concentraciones iniciales. En el

gráfico interno se representa la

“velocidad máxima de degradación”

frente al máximo TOC alcanzado

2. Tratamiento de aguas industriales

(31)

Step 2 TOC<20 V = x Step 1 TOC<100 V = x Step 3 TOC<2 V = x WASHING CYCLE 2.5 < pH < 4 Fe = 10 mg/L H₂O₂= 1 g/L H₂O₂ V = y V = 5x 2.5 < pH < 4 Fe = 10 mg/L H₂O₂= 0 TOC < 10 TOC>2

TOC>20 _waterRaw

Sludge Filter Water Fe2+ H2SO4 V = 5x Clean water H₂O₂ V = 2y Treated Water

CPCS FIELD

(150 m

2

₎

Step 2 TOC<20 V = x Step 1 TOC<100 V = x Step 3 TOC<2 V = x WASHING CYCLE 2.5 < pH < 4 Fe = 10 mg/L H₂O₂= 1 g/L H₂O₂ V = y V = 5x 2.5 < pH < 4 Fe = 10 mg/L H₂O₂= 0 TOC < 10 TOC>2

TOC>20 _waterRaw

Sludge Filter Filter Water Fe2+ H2SO4 V = 5x Clean water H₂O₂ V = 2y Treated Water

CPCS FIELD

(150 m

2

₎

Para la estimación y

dimensionamiento de

la planta los

siguientes datos

fueron establecidos:

a) Cantidad anual de

envases vacíos de

plaguicidas es 1.5

millones

b) La tecnología de

reactor CPC es la

seleccionada

c)La capacidad

nominal de

tratamiento de la

planta es 750.000

envases anuales

2. Tratamiento de aguas industriales

(32)

2. Tratamiento de aguas industriales

Y

las

siguientes

hip

ó

tesis

fueron

formuladas

:

a)

TOC residual

de un

envase

vac

í

o

es

aprox

.

0.7 g

(0.1 g

si

ha

sido

previamente

enjuagado

)

b)

0.5 g de residuo

0.5 g de

residuo

de media

por

envase

(

estimaci

ó

n

conservativa

).

Esto

significa

un

total de 375 kg de

pesticida

anual

a

tratar

.

c)

Volumen

medio

del

envase

de

pl

á

stico

1.9 L

d)

3000

horas

anuales

de

operaci

ó

n

de la

instalaci

ó

n

solar

(

(33)

2. Tratamiento de aguas industriales

Foto

-

Fenton

fue

el

proceso

seleccionado

.

Estimaci

ó

n

del campo

solar

:

a) Inicial TOC del agua ser

á

100

100 mg

mg/L

/L

, equivalente a aprox.

200

200 mg

mg/L

/L

de plaguicida.

b) El TOC objetivo final del agua

tratada es 10

mg

/L.

c) El volumen total anual de agua a

tratar es

(

V

_t

)

es

1875 m

3

3 d) Media anual local de radiaci

d) Media anual local de radiaci

ó

n UV

global

(

UV

_G

), del

amanecer

al

ocaso

,

es

18.6 W

_UV

m

-

2

2 e)

e)

Energ

í

a

solar media

para

degradar

los

contaminantes

:

(

Q

_UV

)

es

(34)

JORNADAS TÉCNICAS ESTACIONES DE TRATAMIENTO DE AGUAS. ZARAGOZA, 10 MAYO 2010. 2 2 1 3 3

112

6 .

18 3600

3000

10 1875

10

12 m

m

W

s

L

J

x

UV

T

V

Q

A

G s t UV r

















 _

Dimensión final

seleccionada del campo

solar 150 m

2 2. Tratamiento de aguas industriales

(35)

0 50 100 150 200 250 0 20 40 60 80 100

120

Fecundal-s-7.5, Imizalil sulphate 7.5 %

t, min

, m

g

/L

1

1 Fecundal = 4 L. (50 g/L of TOC, 60% from Imazalil)

Fe (II) = 1 mM (pH 3)

(1)

4 x 2.5 L H

2

O

2

(30% p/v)

V

_TOTAL

= 1600 L

V

_illum

= 1000 L

A

_CPC

= 150 m

2

Primer test real

llevado a cabo en

la planta usando el

plaguicida

Fecundal (Janssen

Pharmaceutica).

Ingrediente Activo:

Imazalil. 80 % de

degradación del

Total Organic

Carbon (TOC) se

alcanza en 115

min. (tiempo real)

2. Tratamiento de aguas industriales

(36)

2. Tratamiento de aguas industriales

A coupled advanced oxidation-biological process

for recycling of industrial wastewater

containing persistent organic contaminants

(CADOX).

EVK1-CT-2002-00122.

(2003-2006)

http://www.psa.es/webeng/

projects/cadox/index.html

February 2003-July 2006.

(37)

2. Tratamiento de aguas industriales

Industrial wastewaters (IPPC Directive)

containing PHS (WF Directive) < 500 mg/L



_OH

(Photo-Fenton)



_OH

(TiO

₂

)

O

₃

Solar

Photons

Solar

Photons

Non-toxic

biodegradable

compounds

WATER

REUSE

Bio-Treatment

Industrial wastewaters (IPPC Directive)

containing PHS (WF Directive) < 500 mg/L



_OH

(Photo-Fenton)



_OH

(TiO

₂

)

O

₃

Solar

Photons

Solar

Photons

Non-toxic

biodegradable

compounds

WATER

REUSE

Bio-Treatment

(38)

2. Tratamiento de aguas industriales

(39)

2. Tratamiento de aguas industriales

(40)

2. Tratamiento de aguas industriales



Demostrar que el acoplamiento entre AOPs y biodegradación es un

procedimiento adecuado para descontaminar agua conteniendo 7 plaguicidas

(

Alaclor, Atracina, Clorfenvinfos, Diuron, Isoproturon, Lindano y

Pentaclorofenol

) solubles en agua y 3 NBCS (

dicloroetano, diclorometano y

cloroformo

), todos ellos considerados como PS por la WFD. El mismo

objetivo se persigue con compuestos presentes en aguas residuales de

JANSSEN y DERETIL, usuarios finales.



Definición de nuevos colectores solares, útiles tanto para TiO

₂

como

foto-Fenton.



Construcción y ensayo de 2 pequeños prototipos (4 m

2 y unos 100 L).



Construcción de una planta de demostración (100 m2 y unos 2000 L).



Diseño y evaluación económica de una planta completa.



Análisis detallado de la aplicabilidad de esta tecnología en Europa, para

(41)

2. Tratamiento de aguas industriales

(42)

2. Tratamiento de aguas industriales

(43)

2. Tratamiento de aguas industriales

(44)

2. Tratamiento de aguas industriales

(45)

2. Tratamiento de aguas industriales

Ejemplo de tratamiento de aguas residuales industriales conteniendo

-metilfenilglicina, mediante integración POA y sistema biológico aerobio.



En primer lugar se realiza un pre-tratamiento mediante foto-Fenton.



Ensayos de biodegradabilidad mediante Zahn-Wellens. Entre 50 y 75 min de foto-Fenton

necesarios para aumentar la biodegradabilidad > 70% en pocos días (COT < 150 mg/L).

(46)

2. Tratamiento de aguas industriales

Diseño y construcción de una planta de demostración para desarrollo de

esta nueva tecnología de integración foto-Fenton / tratamiento biológico en

lecho fijo.

(47)

2. Tratamiento de aguas industriales

700 L RLF

3000 L volumen total

Caudal recirculación 1.2 m

3 _·h

-1

Columnas de contacto 1000+400 L, 5 – 10 h de contacto



Flujo continuo 140 – 280 L·h

-1

1260 L volumen iluminado

4000 L volumen total

(48)

2. Tratamiento de aguas industriales

(49)

1. Introducción

2. Tratamiento de aguas industriales

3. Tratamiento de aguas urbanas

(50)

3. Tratamiento de aguas urbanas



España es el país europeo con mayor déficit hídrico y ello genera preocupación

social. También es uno de los países que más agua reutiliza pero aún en

cantidades poco significativas: no se llegan a reutilizar más del 5 % del

volumen de aguas residuales tratadas.



Hoy en día, la presencia de fármacos, productos de cuidado personal e

interruptores endocrinos en aguas residuales son considerados como

“contaminantes emergentes”, estos compuestos pueden ser compuestos

no-biodegradables y persistentes.



Estos contaminantes son frecuentemente detectados en efluentes de EDARs

en un rango de concentración de 0.1 a 20 μg/L



El reuso del agua tratada parece ser la solución más adecuada para una gestión

sostenible del agua. Para ello, son necesarias tecnologías de tratamiento

alternativas y eficientes que aumenten la calidad de los efluentes tratados.

(51)

3. Tratamiento de aguas urbanas

Proyecto

Nacional

TRAGUA

(

Programa

CONSOLIDER)

Proyecto:

TRAGUA

– Tratamiento y Reutilización de Aguas Residuales

para una Gestión Sostenible

Participantes: 24 Grupos de Investigación Nacionales+empresas+asociaciones

Presupuesto:

(CONSOLIDER‐INGENIO 2010). 4.9 M€. (Proyecto CSD2006‐

00044 TRAGUA)

http://www.consolider‐tragua.com/1280.htm

Duración:

5 años (comienzo: 1 Octubre 2006)

Objetivo: Abordar de una manera integral la reutilización de aguas

(52)

3. Tratamiento de aguas urbanas

Evaluaci

ó

n de riesgos por reutilizaci

ó

n de aguas EDAR en

agricultura

• Evaluación del riesgo toxicológico sobre los organismos del suelo, depredadores terrestres y

consumidores de productos agrícolas por exposición a contaminantes en agua de riego

(efluente EDAR sin terciario)

• Incluye:

– Evaluación de la exposición

– Evaluación de efectos

– Caracterización del riesgo

Concentración de los contaminantes

en el agua residual

Características de los contaminantes

- Físico-químicas

- Toxicológicas

Variables del medio ambiente y

de exposición

Entrada de datos

Caracterización

de riesgo

<1 no

>1 si

Evaluación de la exposición

(dilución, degradación, bioconcentración

,

distribución en el medio ambiente…)

Evaluación de efectos

(máximas concentraciones o dosis

tolerables)

(53)

3. Tratamiento de aguas urbanas

Effluent

concentrations Irrigation

Leaching Degradation Bioconcentration Volatilisation Plant uptake

Exposure assessment (modelling)

Effects assessment RCRhuman RCRsoil Risk characterisation Wastewater effluent sampling Chemical analysis Experimental work Data collection Substance-independent data: - Environmental parameters - Exposure parameters Substance-dependent data: - Physical-chemical properties - Toxicological properties Soil RCRpredator

Evaluaci

ó

n de riesgos por reutilizaci

ó

n de aguas EDAR en

agricultura

(54)

3. Tratamiento de aguas urbanas

Atenolol Caffeine Carbamazepine Ciprofloxacin Diclofenac Erythromycin Fenofibric Acid Fluoxetine Gemfibrozil Hydrochlorothiazide Ibuprofen N-acetyl-4-amino-antipiryne (4-AAA) Sulfamethoxazole Benzophenone-3 Galaxolide Tonalide Triclosan Hexachlorobenzene

Tetra-brominated diphenyl ether Penta-brominated diphenyl ether Diuron

Lindane 2,3,7,8-TCDD

• Ejemplo

:

– 23 Contaminantes evaluados en efluentes de 3 EDAR

españolas sin aplicar tratamiento terciario:

– Resultados:

• Riesgo para el suelo por fármacos:

carbamazepine,

ciprofloxacin, diclofenac, erythromycin, gemfibrozil,

sulfamethoxazole

• Riesgo para depredadores por

diclofenaco

• Riesgo para personas por

2,3,7,8-TCDD

– Conclusión: necesidad de un tratamiento terciario efectivo

para contaminantes prioritarios y emergentes

(55)

3. Tratamiento de aguas urbanas



Catalyst removal

is not necessary.



Developed and commercialized technology

‐ Methods: Sol‐gel, dip coating, etc.

‐ Inert matrixes: organic and inorganic fibers, glass,

ceramic materials...

‐ Transparent substrates are preferable for an efficient use

of light

‐ Shapes: spheres, fibers, rasching rings, etc.



Lower efficiency compared with suspended catalyst



Possible inactivation after several uses

(56)

3. Tratamiento de aguas urbanas

TiO

₂

fixed on borosilicate glass: SPHERES 5 mm diameter

PREPARATION OF TiO

₂

PHOTOCATALYST

TiO

₂

synthesized by solgel method

TiO

₂

P25

H

₂

O + HNO

₃

Ti(OPr

i

₎

4

Fast hydrolysis

Sol (pH<2.7)

Coated

Support

Photocatalyst

Peptization at AT

Calcination at 400ºC

PEG

H. Choi, E. Stathatos, D.D. Dionysiou, Synthesis of nanocrystalline photocatalytic TiO₂thin films and particles using sol-gel method modified with nonionic surfactants, Thin Solid Films, (2006), 510, 107

(57)

3. Tratamiento de aguas urbanas

N N N F O O O OH

Ofloxacin

HO NH O

Acetaminophen

N N N N O O

Caffeine

N N O

Antipyrine

H2N S O O H N O N

Sulfamethoxazole

N N H2 O

Carbamazepine

N C O O H O F

Flumequine

O N O O H

Ketorolac

N N N HN C l H N

Atrazine

H N O N O H

Hydroxybiphenyl

C l H N O O H

Dichlofenac

O O

Progesterone

O OH Cl Cl Cl

Triclosan

O H O

Ibuprofen

COMPOUNDS

(58)

3. Tratamiento de aguas urbanas

COMPOUNDS

Name used as Formula

Mol weight g/mol Acetaminophen analgesic / antipyretic C₉H₈NO₂ 151.2 Antipyrine analgesic C₁₁H₁₂N₂O 188.2 Atrazine herbicide C₈H₁₄ClN₅ 215.7 Caffeine stimulant C₈H₁₀N₄O₂ 194.2 Carbamazepine anticonvulsant C₁₅H₁₂N₂O 236.3 Dichlofenac anti‐inflammatory C₁₄H₁₁Cl₂NO₂ 296.2 Flumequine broad spectrum antibiotic C₁₄H₁₂NFO₃ 261.3 Hidroxybiphenyl biocide C₁₂H₁₀O 170.2 Ibuprofen anti‐inflammatory C₁₃H₁₈O₂ 206.3 Isoproturon phenylurea herbicides C₁₂H₁₈N₂O 206.3 Keterolac anti‐inflammatory C₁₅H₁₃NO₃ 376.4 Ofloxacin antibiotic C₁₈H₂₀FN₃O₄ 361.4 Progesterone steroid hormone C₂₁H₃₀O₂ 314.5 Sulfamethoxazole bacteriostatic antibiotic C₁₀H₁₁N₃O₃S 253.3 Triclosan antibacterial / antifungal C₁₂H₇Cl₃O₂ 289.5

M .J. Martínez-Bueno, A. Agüera, M. J. Gómez, M. D. Hernando, J. F. García-Reyes, A. R. Fernández-Alba, Application of Liquid Chromatography Quadrupole-Linear Ion Trap Mass Spectrometry and Time-of-Flight Mass Spectrometry to the Determination of Pharmaceuticals and Related Contaminants in Wastewater, Anal. Chem., (2007), Vol. 79, 9372.

(59)

3. Tratamiento de aguas urbanas

Spiked with 100

Spiked with 100 μ

μg L

g L

1

1 _{each compound.}

_{each compound.}

• Synthetic water (SW)

, natural pH.

• Simulated effluent water (SE)

, natural pH.

• Real effluent water (RE)

, natural pH.

EXPERIMENTAL SETUP: CPCs Reactors

CPC – solar (compound parabolic collector) reactor:

• Total area: 0.27m

2

_{; Total reactor volume V}

T

= 10 L; Irradiated

volume V

_i

= 0.96 L

• MeOH mother solution (2.5 g L

‐1

_{) is added into the reactor.}

i n n W n W

V

UV

t

30

) 1 ( 30 ) (

30









t

_t

30W

: normalised irradiation time

(60)

3. Tratamiento de aguas urbanas

7. PHOTOCATALYTIC ACTIVITY RESULTS:

CPCs

The catalyst have been tested from 1 to 5 cycles.

C

₀

(ECs) = 100

μ

g L

1

1 NaHCO

₃

: 96 mg L

‐1

CaSO

₄

ּ2H

₂

O: 60 mg L

‐1

MgSO

₄

60 mg L

‐1

KCl: 4 mg L

‐1

Peptone: 32 mg L

‐1

Beef extract: 22 mg L

‐1

Urea: 6 mg L

‐1

K

₂

HPO

₄

: 28 mg L

‐1

CaCl

₂

ּ2H

₂

O: 4 mg L

‐1

MgSO

₄

ּ7H

₂

O: 2 mg L

‐1

pH natural

TOC initial  32 mg L

‐1

Synthetic Water (SW)

(61)

3. Tratamiento de aguas urbanas

0.0

0.5

1.0

0.0

0.5

1.0

0.5

1.0

HYDROXYBIFENYL DICLOFENAC IBUPROFENE PROGESTERONE TRICLOSAN

C / C

0

ACETAMINOPHEN CAFFEINE OFLOXACIN ANTIPYRINE SULFAMETHOXAZOLE CARBAMAZEPINE FLUMEQUINE KETEROLAC ATRAZINE ISOPROTURON

C

₀

(ECs) = 100

μ

g L

1

1 NaHCO

₃

: 96 mg L

‐1

CaSO

₄

ּ2H

₂

O: 60 mg L

‐1

MgSO

₄

: 60 mg L

‐1

KCl: 40 mg L

‐1

pH natural

PHOTOCATALYTIC ACTIVITY

RESULTS

CPCs: 5

th

_CYCLE (SW)

Synthetic Water (SW)

(62)

3. Tratamiento de aguas urbanas

C

₀

(ECs) = 100

μ

g L

1

1 NaHCO

₃

: 96 mg L

‐1

CaSO

₄

ּ2H

₂

O: 60 mg L

‐1

MgSO

₄

: 60 mg L

‐1

KCl: 4 mg L

‐1

Peptone: 32 mg L

‐1

Beef extract: 22 mg L

‐1

Urea: 6 mg L

‐1

K

₂

HPO

₄

: 28 mg L

‐1

CaCl

₂

ּ2H

₂

O: 4 mg L

‐1

MgSO

₄

ּ7H

₂

O: 2 mg L

‐1

pH natural

TOC initial  32 mg L

‐1

Simulated Effluent (SE)

PHOTOCATALYTIC ACTIVITY

RESULTS

CPCs: 5

th

_CYCLE (SE)

0.0

0.5

1.0

0.0

0.5

1.0

0

40

80

120

0.0

0.5

1.0

HYDROXYBIPHENYL DICLOFENAC IBUPROFEN PROGESTERONE TRICLOSAN

C / C

0

ACETAMINOPHEN CAFFEINE OFLOXACIN ANTIPYRINE SULFAMETHOXAZOLE

t

_30W(min) CARBAMAZEPINE FLUMEQUINE KETEROLAC ATRAZINE ISOPROTURON

(63)

3. Tratamiento de aguas urbanas

PHOTOCATALYTIC ACTIVITY

RESULTS

CPCs: 5

th

_CYCLE (SE)

0.0

0.5

1.0

0.0

0.5

1.0

0.0

0.5

1.0 C / C

0

ACETAMINOPHEN CAFFEINE OFLOXACIN ANTIPYRINE SULFAMETHOXAZOLE CARBAMAZEPINE FLUMEQUINE KETEROLAC ATRAZINE ISOPROTURON Emerging contaminant Immobilized TiO2 (1st_{cycle RE)} Immobilized TiO2 (5th_{cycle SE)} t30W,90% min k, min-1 t30W,90 %,min k, min-1 Acetaminophen Caffeine Ofloxacin Sulfamethoxazole Hydroxybiphenyl Diclofenac Ibuprofen Progesterone Triclosan 41.4 50.96 31.67 69.08 50.96 78.38 19.45 16.18 23.83 0.068 0.063 0.044 0.032 0.052 0.027 0.118 0.149 0.080 9.78 60.66 17.49 87.99 12.86 26.04 60.66 9.69 10.15 0.329 0.026 0.017 0.022 0.172 0.078 0.034 0.218 0.164

(64)

3. Tratamiento de aguas urbanas

PHOTOCATALYTIC ACTIVITY RESULTS

CPCs with

REAL EFFLUENT (RE): 1

st

CYCLE

•

• Spiked with 100

Spiked with 100

μ

g L

‐

1

1 _{each compound}

_{each compound}

in real wastewater

(El

Ejido

,

Almer

í

a).

• Hydroxybiohenyl, Diclofenac,

Progesterone, Triclosan, Acetaminophen,

Ofloxacin, Caffeine and Sulfamethoxazole

are degraded in less 90 minutes.

• Antipyrine, Flumequine, Keterolac,

Atrazine, Isoproturon and Carbamazepine

are not degrading completely.

0.0

0.5

1.0

0.0

0.5

1.0

0

40

80

120

0.0

0.5

1.0 C /

C

0

ACETAMINOPHEN CAFFEINE OFLOXACIN ANTIPYRINE SULFAMETHOXAZOL

t

_30W(min) CARBAMAZEPINE FLUMEQUINE KETEROLAC ATRAZINE ISOPROTURON

(65)

3. Tratamiento de aguas urbanas

0.0 0.5 1.0 0.0 0.5 1.0 0.5 1.0 HYDROXYBIPHENYL DICLOFENAC IBUPROFEN PROGESTERONE TRICLOSAN C / C0 ACETAMINOPHEN CAFFEINE OFLOXACIN ANTIPYRINE SULFAMETHOXAZOL FLUMEQUINE KETEROLAC ATRAZINE ISOPROTURON

PHOTOCATALYTIC ACTIVITY RESULTS CPCs with

REAL EFFLUENT (RE):

5 th

_CYCLE

(66)

3. Tratamiento de aguas urbanas

CHARACTERIZATION OF TiO

₂

PHOTOCATALYST: SEM

Pictures SEM of surface of the catalyst (a) Before used. (b) After five cycles of the treatment.

The images indicate that before and after the water treatment, the surface of the

catalyst presents a significant roughness where it can been observed some particles of

TiO

₂

with a granular appearance. As shown, after five cycles of treatment the surface of

the catalyst still remains particles of TiO

₂

and it can be considered that the preparation

of the catalyst by sol‐gel method provide adequate mechanical resistance to this type of