2020 LIMA–PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL
Revisión bibliográfica de la remoción de colorantes textiles
mediante el Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y Fotofenton
TESIS PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE: Ingeniera Ambiental
AUTORAS:
Ayuque Silva, Roxana Nelida (ORCID: 0000-002-9535-7111) Mendoza Cuba, Gabriela Geraldine (ORCID: 0000-0002-8590-2630)
ASESOR:
Dr. Valdiviezo Gonzales, Lorgio Gilberto (ORCID: 0000-0002-8200-4640)
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN:
ii Dedicatoria
A mi papá Faustino Ayuque, a mi madrecita Antonia Silva (+) que desde el cielo cuida de mí, así mismo por todo el apoyo que me brindaron día a día. También a mis hermanas Antonia, Rosmery y Magdalena por ser mi ejemplo de superación. Y finalmente a todas las personas que confiaron en mí.
Roxana.
A mis padres que con esfuerzo y dedicación han hecho posible mi instrucción en la universidad, por los valores principios y especialmente por el apoyo incondicional durante todo este largo camino académico. A Tomás por su amistad, amor y compañía permanente.
iii Agradecimiento
A Dios por ser la base de todo, por permitirnos cada día despertar no solo con vida, sino con salud, fuerzas y sobre todo empeño los cuales fueron necesarios para que este trabajo de investigación se culminara satisfactoriamente.
A nuestros padres por su amor y apoyo incondicional.
A nuestro asesor Dr. Lorgio Gilberto Valdiviezo Gonzales por la orientación y ayuda para la realización de esta tesis asimismo por brindarnos desde el principio su amistad y confianza.
iv
Dedicatoria...ii
Agradecimiento...iii
índice de tablas...v
Índice de figuras...vi
Índice de abreviaturas...vii
Resumen...viii
Abstract...ix
I.INTRODUCCIÓN...10
II.MARCO TEORICO...13
III.MÉTODO...32
3.1 Tipo de investigación y diseño...33
3.2 Categorías, subcategorías y matriz de categorización apriorística...33
3.3 Escenario de estudio...36
3.4 Participantes...36
3.5 Técnicas e instrumentos de recolección de datos...36
3.6 Procedimientos...36
3.7 Rigorcientífico...37
3.8 Método de análisis de información...37
3.9 Aspectos éticos...38 IV.RESULTADOS Y DISCUCIONES...39 V. CONCLUSIONES...48 VI. RECOMENDACIONES...50 REFERENCIAS...52 ANEXOS ÍNDICE DE CONTENIDOS Carátula...i
v índice de tablas
Tabla 1. Clasificación de colorantes de acuerdo a su aplicación ... 15
Tabla 2. Colorantes más comunes de la industria textil. ... 15
Tabla 3. Potencial de oxidación de diferentes especies ... 17
Tabla 4. Clasificación de procesos de oxidación avanzada ... 18
Tabla 5: Tipos de radiación UV ... 27
Tabla 6: Comparación de los procesos Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y fotofenton ... 28
Tabla 7: Revisión bibliográfica consultada para el análisis del Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y Fotofenton ... 29
Tabla 8: Valores máximos admisibles ... 31
Tabla 9: Matriz de categorización apriorística ... 33
vi Índice de figuras
Figura 1: Proceso de teñido ... 14
Figura 2: Mecanismos de reacción del proceso Fenton heterogéneo ... 24
Figura 3: Mecanismo de reacción del proceso foto-Fenton ... 25
Figura 4: Mecanismo de degradación mediante el proceso Fenton homogéneo ... 40
Figura 5: Mecanismo de degradación mediante el proceso Fenton heterogéneo ... 40
Figura 6: Mecanismo de degradación mediante el proceso foto-Fenton ... 41
Figura 7: Parámetros del proceso Fenton homogéneo ... 42
Figura 8: Parámetros del proceso Fenton heterogéneo ... 44
vii Índice de abreviaturas
Fe+2 = Ion ferroso
hv = Fotón de energía H2O2 = Peróxido de hidrogeno mg/L = Miligramos por litro mL = Mililitros
OH- = Ion hidroxilo
OH● = Radical de hidroxilo UV = Radiación ultravileta
POAs = Proceso de oxidación avanzadas λ = Longitud de honda
viii Resumen
El presente estudio tiene como objetivo determinar los mecanismos de degradación de los colorantes textiles mediante el proceso Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y Fotofenton; así mismo determinar los parámetros más influyentes (Fe+2, H2O2, temperatura, pH, tiempo de reacción) durante cada uno de los procesos Fenton. Para esta investigación se realizó una revisión bibliográfica de 65 artículos científicos obtenidas de las bases de datos de Web of Science, Scopus, ScienceDirect y Scielo; 05 libros y 15 tesis de posgrado que fueron obtenidas de las bases de datos de ProQuest y Google académico. En los resultados obtenidos se describieron los mecanismos de degradación por etapas de cada proceso, donde los radicales hidroxilos (OH●) cumplen un papel importante al romper los enlaces de la estructura de los colorantes. Así mismo se detalla los parámetros de control más importantes como: el catalizador Fe+2, Peróxido de hidrogene (H2O2), pH, temperatura y tiempo; pero en el caso del Fotofenton además que trabaja con los parámetros ya mencionados también incluye la Radiación y así también Fenton heterogéneo trabajará con un catalizador sólido. Se concluye que mediante el proceso Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y Fotofenton han alcanzado una degradación del color a un 93,83%, 95%, 98% hasta el 100% según la recopilación realizada, además los tres procesos investigados trabajaron en tiempos menores entre 20, 30 y 60 minutos; como también tiempos prolongados de entre 120min, 180min y hasta 4 horas; y cada uno de estos procesos son métodos muy eficaces para el tratamiento de aguas contaminadas por colorantes textiles y respetuosos con el ambiente.
Palabras claves: Proceso de Oxidación Avanzada, Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo, Fotofenton y colorantes textiles.
ix Abstract
The objective of the present study is to determine the mechanisms of degradation of textile dyes by means of the homogeneous Fenton, heterogeneous Fenton and photofenton processes; also to determine the most influential parameters (Fe+2, H2O2, temperature, pH, reaction time) during each of the Fenton processes. For this research a bibliographic review of 65 scientific articles obtained from the Web of Science, Scopus, ScienceDirect and Scielo databases; 05 books and 15 graduate theses were obtained from the ProQuest and Google academic databases. In the results obtained, the mechanisms of degradation by stages of each process were described, where the hydroxyl radicals (OH●) play an important role by breaking the links of the dye structure. Likewise, the most important control parameters are detailed, such as: the Fe+2 catalyst, hydrogen peroxide (H2O2, pH, temperature and time; but in the case of the Fotofenton, in addition to working with the parameters already mentioned, it also includes radiation, and thus the heterogeneous Fenton will also work with a solid catalyst. It is concluded that by means of the homogeneous Fenton process, Fenton heterogeneous and Fotofenton have reached a colour degradation of 93.83%, 95%, 98% up to 100% according to the collection made, besides the three processes investigated worked in shorter times between 20, 30 and 60 minutes; as well as extended times between 120min, 180min and up to 4 hours; and each one of these processes are very effective methods for the treatment of water contaminated by textile dyes and are respectful with the environment.
Keywords: Advanced Oxidation Process, Fenton homogeneous, Fenton heterogeneous, Photofenton and textile dyes.
10 I.INTRODUCCIÓN
11 Con el paso de los años, la contaminación de los ecosistemas acuáticos es una de las problemáticas a nivel universal que afecta en gran medida a los países en desarrollo, debido al vertimiento de aguas residuales sin tratamiento previo (Barrios et al. 2016, p. 62), a nivel mundial, es probable que más del 80% de las aguas residuales son vertidas directamente al ambiente sin un tratamiento adecuado, afectando peligrosamente a las comunidades rurales que realizan sus actividades mediante este recurso (UNESCO, 2017, p.14).
La industria textil es la segunda que más contamina el planeta, después de la industria petrolera, también es la segunda industria que más agua utiliza en sus procesos, creando así impactos ambientales negativos (Brañez et al. 2018, p. 129). Así mismo, la industria textil en el proceso de teñido hace uso de grandes cantidades de agua al no conocerse el consumo de agua, se estima que podría ser 10 000 toneladas por año a nivel mundial (De Farias, Da Silva y De Souza, 2016, pp. 994 - 995).
En Perú lo efluentes textiles en su mayoría, son depositados en los ríos y mares si un previo tratamiento (Deepika et al, 2017, p.8) representando un problema importante de contaminación ambiental debido a su toxicidad y posible acumulación en el medio ambiente, estos colorantes llegan a los cuerpos de agua dificultan el proceso de fotosíntesis ya que bloquean que la luz del sol y disminuye el oxígeno provocando la muerte de las especies acuáticas (Jaramillo et al, 2017, p. 30). Incluso a bajas concentraciones de colorante sintético, las aguas residuales textiles tienen un color intenso (Rummi, 2018, p. 206). Los colorantes presentan una preocupación ambiental debido a su alta visibilidad y su recalcitrancia. Además, muchos colorantes y sus productos de degradación se han asociado con toxicidad y/o mutagenicidad (Mezohegyi et al. 2012, p. 148). Los colorantes tienen altos niveles de metales pesados como el Cromo, Cadmio, Plomo, entre otros, siendo perjudiciales para los ecosistemas acuáticos y principalmente para la salud del hombre (Tejada et al., 2015, p. 111), ocasionando una alteración en su ADN en caso de embriones (Mariselvam et al, 2016, p. 1).
En los últimos años se han investigado diversos métodos para el tratamiento de este tipo de contaminantes mediante los Procesos de Oxidación Avanzada (POAs) que se implementan en contaminantes orgánicos tóxicos y/o
12 difícilmente biodegradables, estos tratan de la oxidación química en condiciones de presión y temperatura ambiente, las cuales pueden llegar a mineralizar (CO2 y H2O) los contaminantes, es decir no quedan compuestos orgánicos (Castro y Durán. 2014, p. 41). Uno de los procesos más conocidos, (dentro de los POAs) son los procesos Fenton, estos se basan en la generación de especies químicas que son altamente oxidantes, principalmente el radical hidroxilo (OH●), este se produce mediante la descomposición de H2O2 en presencia de Fe2+ como catalizador (Gilpavas, 2018, p. 158).
Sobre la base de realidad problemática presentada se planteó el objetivo general: Analizar los aspectos más relevantes del proceso Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y Fotofenton aplicados en la degradación de colorantes textiles. Siendo los objetivos específicos: Determinar los mecanismos involucrados en la degradación de colorantes textiles del proceso Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y Fotofenton; como segundo objetivo es Determinar los parámetros de control más importante del proceso Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y Fotofenton. Por otra parte, el problema general: ¿Cuáles son los aspectos más relevantes del uso del proceso Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y Fotofenton en la degradación de colorantes? Siendo los problemas específicos: ¿Cuáles son los mecanismos involucrados en la degradación de colorantes textiles del proceso Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y Fotofenton?, ¿Cuáles son los parámetros de control más importantes del proceso Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y Fotofenton?
La presente investigación tiene como finalidad aportar conocimiento teórico para futuras investigaciones, haciendo uso de artículos científicos en su mayoría de los últimos cinco años. Enfocándose en la problemática de los colorantes textiles y sus impactos negativos hacia el medio ambiente y la salud, de acuerdo a ello analizar y buscar alternativas para un tratamiento previo de estos y de esta manera poder brindar soluciones para una mejor calidad de vida a generaciones futuras, así mismo la preservación del recurso agua.
13 II.MARCO TEORICO
14 La industria textil cuenta con diferentes procesos como: eliminación de impurezas, remover materiales coloreados, mercerización (que le otorga un acabado brillante), el teñido, lavado y secado de la prenda (Guyer, Nadeem y Dizge, 2016, p.6). El proceso del teñido es la actividad donde se aplica los colorantesa las telas para su coloración respectiva, además en este proceso corre baños de agua para eliminar el exceso de colorante (Moraes y Bidoia, 2015, p.1). A continuación, en la Figura 1, se detalla el proceso de teñido con el colorante Negro 1600, aplicado en una empresa textil ubicada en Huachipa (Lima).
Figura 1. Proceso de teñido.
Fuente: Elaboración propia, 2020.
Los colorantes son compuestos orgánicos que se emplean a un cuerpo, es decir: papel, telas, piel, etc. (Aquino, 2017, p.22), así mismo los colorantes tienen una capacidad de absorber la luz visible (380 a 750 nm) (Cerrón y Unterlass, 2018, p.20), la transformación de la luz blanca en luz de color por reflexión en un
15 cuerpo, resulta de la absorción selectiva de energía por ciertos grupos de átomos llamados grupos cromóforos (Benkhaya,Mrabet y El Harfi, 2020, p.2). Los colorantes se clasifican por su estructura química y también por su forma de aplicación, a continuación, se muestra la Tabla 1 de la clasificación del colorante según su forma de aplicación (Lellis et al. 2019, p.2).
Tabla 1.Clasificación de colorantes de acuerdo a su aplicación
Grupo Aplicación
Directo Algodón, fibras celulósicas y mezclas Tintura Vat (tina) Algodón, fibras celulósicas y mezclas Sulfurosos Algodón, fibras celulósicas
Pigmentos orgánicos Algodón, fibras celulósicas y mezclas, papel Reactivas Fibra celulósica y tela
Dispersas Fibras sintéticas
Ácidas Lana, seda, papel, fibras sintéticas, cuero Azóicas Tintas de impresión y pigmentos
Básicas Seda, lana y algodón
Fuente: Mahapatra, 2016, p14.
Según la estructura molecular del colorante se divide en: cromóforos, entre ellos los que actúan principalmente son el grupo azo (-N2), el grupo metino (-CH =), el grupo etileno (= C = C =), el grupo carbonilo (= C = O), el azufre de carbono ( = C = S; = CS-SC =), nitro (-NO2), nitroso (-N = O), nitrógeno de carbono (= C = NH; -CH = N-) (Saini, 2018, p. 207); y los auxocromos que son responsables de aumentar la afinidad hacia la fibra y hacer que la molécula sea soluble en agua, los más comunes son: COOH (carboxilo), NH2 (amino), SO3H (sulfonato) y -OH (hidroxilo) (Sharma, Kapoor y Christian, 2017, p. 1665).
En la Tabla 2 se presenta los colorantes más comunes de la industria textil. Tabla 2. Colorantes más comunes de la industria textil.
Nombre del colorante Estructura del colorante
Amarillo ácido – 36
16 Azufre Rojo – 7 Naranja directo – 26 Rojo Azulado Azul directo 5 Fuente: Saini, 2018, p.207
Los procesos de oxidación avanzada (POAs) son procesos fisicoquímicos capaces de producir cambios profundos en la estructura de los contaminantes, los cuales involucran especies transitorias poderosas, principalmente el radical hidroxilo (OH●). (Terán, 2016, p. 22).
El radical OH● es superado por el flúor, el potencial de oxidación de diversas sustancias oxidantes es representada en la Tabla 3.
17
Tabla 3. Potencial de oxidación de diferentes especies
Fuente: Terán, 2016, p. 22.
Los OH● pueden ser formados por medios fotoquímicos (incluida la luz solar) o por otras formas de energía, posee una superior capacidad oxidante para la materia orgánica (Litter, 2005, p. 73), es no selectivo y presenta tiempos de reacción muy cortos (Poyatos et al., 2009, p.188), los OH● se forman a partir del oxígeno, del peróxido de hidrógeno e incluso sólo a partir del agua (Terán, 2016, p. 23).
Los POAs pueden clasificarse en dos grupos: procesos fotoquímicos y no fotoquímicos como se representa en la Tabla 4. Los procesos no fotoquímicos requieren inducción de energía para generar los OH● a diferencia de los procesos fotoquímicos que requieren de luz (UV o luz visible) para producir los OH● (Cristancho, 2016, p.17).
La versatilidad de los POAs se da debido a que existen diferentes maneras de que se puedan producir los OH●, y puede escogerse cual se utilizará de según al tipo de efluente que se quiera tratar (Castro y Durán, 2014, p. 42).
Especie Potencial de oxidación E° (V, 25°C) Flúor 3.03 Radical OH● 2.80 Oxígeno atómico 2.42 Ozono 2.07 Peróxido de hidrógeno 1.78 Radical perhidroxilo 1.70 Permanganato 1.68 Ácido hipobromoso 1.59 Dióxido de cloro 1.57 Ácido hipocloroso 1.49 Ácido hipoyodoso 1.45 Cloro 0.36 Bromo 1.09 Yodo 0.54
18 Tabla 4. Clasificación de procesos de oxidación avanzada
Procesos no fotoquímicos Procesos fotoquímicos Ozonización con peróxido de
hidrogeno (O3/H2O2).
Oxidación en agua. Procesos Fenton (Fe2+/H2O2) UV/H2O2
Oxidación electroquímica. UV/O3 Radiólisis y tratamiento con haces
de electrones
Foto-Fenton y relacionados Plasma no térmico Fotocatálisis heterogénea Descarga electrohidráulica y
ultrasonidos
Fotocatálisis homogénea Fuente: Terán (2016).
Entre algunos POAs que utilizan el H2O2 para generar OH● se encuentran el grupo de procesos Fenton (Sánchez, 2015, p. 2).
Los procesos Fenton son una reacción química muy eficiente para eliminar los contaminantes orgánicos, consiste en una reacción redox simple donde Fe2+ se oxida a Fe3+ (Mohammed y Fasnabi, 2016, p.647), adicionando sales de hierro en presencia de H2O2 en medio ácido, para que se formen los OH●, a la combinación de sales de hierro con H2O2 se le denomina reactivo Fenton (Rubio et al., 2014, p. 213). Además de formarse OH●, también se forman radicales perhidroxilo (HO2•), los cuales inician una reacción de oxidación en cadena para eliminar la materia oxidable, pero estos presentan un menor poder de oxidación (Rubio, 2014, p. 213).
Generalmente la reacción de Fenton se produce cuando el H2O2 e iones de Fe2+ se ponen en contacto en una solución acuosa con un pH ácido, el mecanismo de descomposición de H2O2 en oscuridad y en la ausencia de un compuesto orgánico se representan en las reacciones 1 a 7. El Fe+2 inicia la reacción de descomposición del H2O2, que da como resultados la producción de OH● y de agua, así como se muestra en la reacción 1, (Sánchez, 2015, p. 3).
𝐹𝑒2++ 𝐻2𝑂2 → 𝐹𝑒3++ 𝑂𝐻•+ 𝑂𝐻− (1)
El ion de Fe3+ se reduce por reacción con H2O2 y formar de nuevo el ion Fe2+ y más OH●, representada en la reacción 2 (Ramos, 2018, p.20).
19 𝐹𝑒3++ 𝐻
2𝑂2→ 𝐹𝑒2++ 𝐻𝑂2•+ 𝐻+ (2)
Las siguientes reacciones están involucradas en la química del Fenton.
𝐹𝑒2++ 𝑂𝐻• → 𝐹𝑒3++ 𝑂𝐻− (3)
La reacción 4 es una reacción alterna ya que se puede producir cuando el radical hidroxilo reacciona con un ion ferroso, además el Fe2+ se oxida a Fe3+ como en la reacción 1, generando radicales hidroxilos en segundos (Ramírez, 2010, p. 26).
Las reacciones 2 a 5 representan la restricción de velocidad en la química de Fenton ya que el H2O2 se consume y el hierro ferroso se genera a partir de iones férricos a través de estas acciones.
𝐹𝑒3++ 𝐻𝑂2• → 𝐹𝑒2++ 𝑂2𝐻−+ 𝐻+ (4) 𝐹𝑒3++ 𝐻𝑂2• → 𝐹𝑒2++ 𝑂2+𝐻+ (5)
Las reacciones 6 a 9 también ocurren durante el proceso Fenton y son reacciones radicales-radicales o reacción peróxido-hidrógeno-radicales (García, 2018, p. 15)
𝑂𝐻•+ 𝑂𝐻• → 𝐻2𝑂2 (6)
Por otra parte, la reacción 7, se considera indeseable dentro de los sistemas Fenton, ya que actúa como secuestrante de OH● y generan especies con potenciales de oxidación menores (Ramos, 2018, p.20).
𝑂𝐻•+ 𝐻
2𝑂2 → 𝐻2𝑂 + 𝐻𝑂2• (7) 𝐻𝑂2•+ 𝐻𝑂2•→ 𝐻2𝑂2+ 𝑂2 (8) 𝑂𝐻•+ 𝐻𝑂2• → 𝐻2𝑂 + 𝑂2 (9)
Las reacciones 1 a 9 demuestran como en el proceso Fenton se da la producci del OH●, a través de la reacción en cadena (reacción 1). Por otra parte, los OH● pueden eliminarse mediante iones ferrosos (reacción 3), H2O2 (reacción 7),
20 radicales perhidroxilo (reacción 9) e incluso pueden eliminarse automáticamente (reacción 6). Todo esto indica que el H2O2 actúa como productor de radicales (reacción 1) y como eliminador (reacción 7) (García, 2018, p. 16).
La ventaja del proceso Fenton depende la concentración del agente oxidante y catalítico, temperatura, pH y tiempo de reacción, así mismo también se relaciona la naturaleza del contaminante a tratar en dicho proceso.
El pH es uno de los parámetros más relevantes en el proceso Fenton, se ha demostrado que es efectivo en soluciones ácidas, donde el pH óptimo está entre 2.8 y 3.0, debido a la formación de radicales OH● a partir de la descomposición de H2O2 en presencia de Fe2+ (García, 2016, p. 11) un aumento del pH conduce a la precipitación del hierro como Fe(OH)3 según las reacciones 10 y 11, impidiendo que se lleve a cabo la (reacción 2) y la regeneración de Fe2+ (Rubio, 2014, p.216).
𝐻2𝑂 + 𝐻+ → 𝐻
3𝑂2+ (10) 𝐹𝑒3++ 3𝑂𝐻− → 𝐹𝑒(𝑂𝐻)3 (11)
Por otro lado, un exceso de pH ácido se forma [Fe (H2O)6]2+, el cual reacciona lentamente con el H2O2, y hace más lento la generación de radicales OH●, a su vez bajo estas situaciones de acidez, la regeneración del catalizador a partir del H2O2 se inhiba ya que un bajo pH el H2O2 se forma de iones oxiono (H3O2-) (Pignatello et al., 2006, p.6).
La concentración óptima de H2O2 depende de la naturaleza y concentración de la materia orgánica a tratar, así como de la concentración de hierro (Pignatello, 2009, p. 9). El mecanismo global resulta de carácter catalítico. Por ello, es importante que el peróxido se encuentre en exceso respecto a la cantidad de hierro añadida.
El incremento de H2O2 al sistema genera más radicales OH● y así se incrementa la degradación del compuesto. Sin embargo, un exceso de H2O2 puede acabar los radicales OH● (reacción 7) (Ramos, 2018, p.20).
21 A partir de una determinada cantidad de H2O2, la velocidad de la reacción puede verse negativamente afectada, debido posiblemente a la auto descomposición del H2O2 en oxígeno y agua (Aranibar, 2016, p.14).
La concentración inicial de Fe2+ empleada favorece la extensión de la reacción, debido a una mayor producción de radicales HO• (Letón, 2016, p.52), al igual que en el caso del H2O2 la velocidad de degradación aumenta con la cantidad de sal empleada, pero a partir de una determinada turbidez de la disolución, que dificulta la absorción de luz necesaria para la realización del proceso Fenton dada concentración de hierro disminuye la eficiencia de la reacción (Salas, 2010, p.36).
Mientras más alta es la cantidad de Fe2+ se favorece la formación de radicales. Sin embargo, un exceso de hierro puede consumir los radicales OH●. (Pignatello et al., 2006, p. 3).
Para determinar el valor óptimo de agente oxidante y catalizador es necesario conocer el tipo de contaminante presente en el agua a tratar, al igual que su concentración. Por ello, es necesario llevar a cabo la caracterización previa del tipo de agua residual a ser tratada (Rubio, 2014, p.216).
A pesar de que el proceso Fenton se puede dar a temperatura ambiente, un aumento de esta favorece un aumento de la cinética de reacción. Pero para otras investigaciones, la temperatura tiene un rango recomendable de trabajo entre 25 y 45°C (Blanco, 2009, p. 15) no obstante, el incremento de la temperatura de operación no debe sobrepasar, ya que, a altos valores de esta, inicia la descomposición del H2O2 en oxígeno y agua (Medina, 2018, p.35).
Por el lado económico, se ha demostrado que trabajar con tiempos altos no es viable (Gosh, 2010, p.1022); de hecho, en tiempos cortos se han conseguido buenos niveles de degradación de contaminantes en comparación con otros procesos de oxidación química (Burbano et al., 2008, p.3226).
También es importante la influencia del tipo de contaminante debido a que, altos niveles de contaminantes, aumenta el número de colisiones entre estos y el catalizador y los OH●, el cual hace que se posibilite y acelera la degradación de los compuestos tóxicos. Sin embargo, un exceso de contaminantes en las aguas podría reducir las mencionadas colisiones haciendo que el proceso de reacción sea más lento (Bianco et al., 2011, p.1734).
22 A mayor cantidad inicial de contaminantes, se genera un mayor número de intermediarios, los cuales reaccionan con los OH●, oxidándose y dejando un menor número de OH● disponibles para interactuar con las sustancias de origen. (Bautista et al., 2007, p.129).
Para superar las desventajas del proceso convencional de Fenton que se limita al estrecho rango de pH de trabajo y produce una gran cantidad de lodo de hierro, se ha estudiado ampliamente el proceso Fenton heterogéneo. El catalizador Fe2+ en el sistema Fenton homogéneo se reemplaza por un catalizador sólido que contiene componentes catalíticos activos en el sistema Fenton heterogéneo, de modo que las reacciones catalíticas de Fenton ocurren en el sitio activo en la superficie del catalizador sólido, evitando la lixiviación de iones de hierro, extendiendo el rango de pH de trabajo. y reduciendo la producción de lodos de hierro (Xia et al., 2011, p.118; Liu et al., 2017, p.643).
Las especies de hierro con actividad catalítica se inmovilizan en algunos soportes, como zeolita, arcilla, grafeno y carbón activado; por el método hidrotérmico y otros métodos de preparación. Los efectos protectores de los soportes evitan que las especies de hierro se sumerjan en la solución, lo que reduce la pérdida de especies de hierro. La estructura y composición del catalizador de Fenton heterogéneo en sí mismo facilita la transferencia del donante de electrones a Fe+, acelerando la reducción de Fe3+ a Fe2+, logrando el ciclo eficiente de Fe3+ y Fe2+ en el catalizador de Fenton heterogéneo (Zhong et al., 2013, p.; 29.). Por lo tanto, el proceso heterogéneo cosnta de dos fases: solida (catalizador) y líquida (efluente, sales de hierro y el peróxido de hidrógeno) (Klavarioti et al., 2009, p.412; Poyatos et al., 2010, p. 199).
La clave de la reacción Fenton heterogénea es el desarrollo de catalizadores heterogéneos estables a largo plazo con alta actividad catalítica que puedan usarse en un amplio rango de pH y separarse fácilmente sin la ayuda de un aporte de energía adicional (Karthikeyan et al., 2011, p.439).
El principal objetivo de este proceso es expandir el rango del pH y reducir los problemas asociados con la separación con altas dosis de iones de hierro tras el tratamiento, además la aplicación de los catalizadores sólidos debe evitar la lixiviación de hierro ya que, esto ocasionaría la actividad del catalizador en la
23 reacción (Pelayo, 2018, p. 24; Becelic et al., 2013, p.7; Hartamann et al., 2010, p. 9003).
Las interacciones entre el oxidante y la superficie de hierro pueden explicarse por reacciones heterogéneas análogas a las reacciones en fase de solución, donde la reacción dominante es primero una cadena de reacciones que ocurren en la superficie mineral (Xue et al., 2009, p.438).
Si los sitios activos ferrosos ya están disponibles en la superficie del catalizador, pueden reaccionar directamente con el H2O2 (reacción 12). O si no, el H2O2 primero forma un complejo con sitios férricos ubicados en la superficie del catalizador, que luego se convierten en especies ferrosas representadas en las reacciones 13 y 14 (Huang y Huang, 2008, p.147).
≡ 𝐹𝑒2+ + 𝐻2𝑂2 → ≡ 𝐹𝑒3+ + 𝑂𝐻•+ 𝑂𝐻− (12) ≡ 𝐹𝑒3++ 𝐻2𝑂2 ↔≡ 𝐹𝑒3+( 𝐻2𝑂2) (13)
≡ 𝐹𝑒3+(𝐻2𝑂2) →≡ 𝐹𝑒2++ 𝐻𝑂2•(· 𝑂2−) + 𝐻+(2𝐻+) (14) * Donde (≡) indica especies en la superficie del catalizador.
El radical perhidroxilo (HO2•) se puede disociar en superóxido (●O2-) e ion de hidrógeno (H+). Los radicales HO2• y ●O2- juegan un papel importante en el ciclo redox del hierro, ya que pueden reaccionar con sitios férricos para formar sitios activos ferrosos (reacción 15) que posteriormente reaccionan con H2O2 y generan OH●. El OH● puede atacar especies adsorbidas en sitios activos, así como especies acuosas (Rey, 2010, p.42)
≡ 𝐹𝑒3++ 𝐻𝑂2•/· 𝑂2− → ≡ 𝐹𝑒2++ 𝑂2+ (𝐻+) (15) ≡ 𝐹𝑒2++ 𝐻𝑂2•/· 𝑂2− → ≡ 𝐹𝑒3++ 𝐻𝑂2− (16)
Si este proceso ocurre con valores de pH neutros y en temperaturas cercanas al ambiente, el único reactivo y fuente de OH• sería el H2O2, evitando las condiciones ácidas y los desechos provenientes del hierro. De esta manera el H2O2 generaría OH• a través de la reducción (Vargas, 2016, p. 15).
En la figura 2, se muestra el mecanismo de reacción para el proceso Fenton heterogéneo.
24 Figura 2. Mecanismos de reacción del proceso Fenton heterogéneo
Fuente: Zhang et al., 2019, p.113.
Los parámetros que destacan en el proceso Fenton heterogéneo, son el pH, concentración de oxidante y catalizador, y la masa del mesoporoso.
En el proceso Fenton heterogéneo, la generación de OH• tiene lugar a partir de la descomposición catalítica de H2O2 principalmente en medio ácido (pH 3), utilizando como hierro catalizador soportado en un material poroso, esta reacción generalmente tiene lugar en un amplio rango de pH (Zárate et al., 2019, p.699; García et al., 2012, p. 304) y esto conlleva una menor disolución de sales de hierro (II), mientras que a valores de pH neutros o básicos no es tan conveniente debido a que favorece a la disolución de los iones ferrosos (Becelic et al., 2013, p.6; Sekaran et al., 2011, p. 502).
La concentración de H2O2 varía, manteniendo siempre la concentración de sulfato ferroso (FeSO4.7H2O) (Méndez et al., 2010, p. 213); los OH• aumentarán con el aumento de la dosis de H2O2, lo que conduce a una mayor tasa de oxidación de compuestos orgánicos (DQO). Por otra parte, la velocidad de descomposición retardada del DQO a relaciones más altas se debe al hecho de que los OH• generados se convierten en iones hidroxilo que a su vez precipitan a iones Fe3+. Si la concentración de Fe2+ se redujo en el sistema, eso conduce a una disminución en la tasa de eliminación de compuestos orgánicos disueltos en el efluente textil que se desea tratar (Karthikeyan et al., 2011, p.443).
25 Con respecto a la temperatura, este proceso tiene naturaleza endotérmica es decir que absorbe calor, por lo que el incremento de esta beneficia la cinética de degradación de los contaminantes, un excesivo incremento de temperatura es perjudicial puesto que acelera la descomposición del peróxido, por lo tanto, una disminución de la generación de radicales OH• (Blanco, 2009, pp. 59-60; Bouasla et al., 2010, p.38; Karthikeyan et al., 2011, p. 1835).
De los soportes mencionados anteriormente, el carbón activado es el que comúnmente se utiliza debido a sus múltiples ventajas, tales como: bajo costo, gran área de superficie, propiedades controlables de textura, químicas y morfológicas (Zárate et al., 2019, p.699). El tamaño del poro del catalizador influye también durante el proceso, el área superficial, su densidad y el volumen del poro y su porosidad (Hartman et al., 2010, p. 9009; Sekaran et al., 2011, pp. 501-502).
Durante el proceso foto-Fenton los iones Fe2+ se transforman y los iones Fe3+ se acumulan en el sistema, el cual hace que disminuya la cinética hasta detener la reacción. Sin embargo, la cinética de la reacción fenton considerablemente mediante la irradiación con luz UV (Ramírez, 2016, p.27). En la figura 3 se representa el mecanismo de reacción del Fotofenton.
Figura 3: Mecanismo de reacción del proceso Fotofenton
Fuente: Ramírez, 2016, p.27.
Este proceso usa la foto-reducción del hierro para aumentar el grado de degradación (Pérez, 2010, p. 2533), esta permite generar nuevos OH● y regenerar los iones Fe2+, que podrán volver a reaccionar con el H2O2, mejorando el grado de oxidación de los contaminantes (Rozas, 2010, p. 1026). Este proceso
26 ha demostrado ser una buena alternativa para degradar aguas residuales con compuestos orgánicos como pesticidas, formaldehidos, además de ser útil para aguas residuales de la industria textil (Ramírez, 2010, p.27).
El proceso Foto-Fenton es comúnmente utilizada cuando se requiere una alta remociónde Demanda Química de Oxígeno. En este proceso el reactivo de Fe2+ se oxida a Fe3+ descomponiendo el H2O2 para formar OH● (reacción 1), al emplear la radiación UV-Vis se incrementa el poder de oxidación principalmente por la foto-reducción de Fe3+ a Fe2+ la cual forma más radicales OH● (reacción 17) y de esta manera se establece un ciclo en el proceso Fenton y se producen los OH●, los cuales son altamente reactivos con el fin de iniciar la destrucción oxidativa de compuestos orgánicos presentes en el agua (Hincapié, 2010, p.35; Aungsten, 2009, p.19).
𝐹𝑒3++ 𝐻𝟐𝑂2 + 𝑈𝑉 → 𝐹𝑒2++ 𝑂𝐻•+ 𝐻+ (17)
De esta manera el Fe2+ fotogenerado, produce OH● a través de la reacción 1 continuando el ciclo. La radiación provee la producción de OH● por fotolisis del H2O2 (reacción 18) (Ramírez, 2010, p. 29).
𝐻2𝑂2 + 𝑈𝑉 → 2𝑂𝐻• (18)
El efecto positivo de la radiación en la velocidad de reducción es debido a la regeneración del ion ferroso (Fe2+) mediante fotoreducción de los iones férricos (Fe3+) (Martínez et al. 2014, p. 45).
El buen desempeño de este proceso dependerá también de diversos parámetros. El pH influye en el proceso ya que el rango óptimo para trabajar se encuentra en valor de 2,8 – 3 (Castro y Durán, 2014, p.43); en rangos de pH mayores a 5, se produce la precipitación de hidróxido férrico y la descomposición de H2O2, disminuyéndose el rendimiento de la reacción o incluso inactivándose, y en pH menores a 3, la reacción se vuelve autocatalítica porque el Fe3+ descompone al H2O2 en O2 y H2O (Ramírez, 2010, p.28).
La concentración de H2O2 tiene que ser mayor a la dosis de Fe2+ ya que genera más OH●, elimina las moléculas de sustratos orgánicos del agua con
27 colorantes. La mayor concentración del ion ferrosos inicial, hace que la eliminación de los colorantes se más efectiva. Por consiguiente, los excesos de Fe2+ podrían tener un efecto en la decoloración, si hablamos de efluente textil, ya que pueden competir con las moléculas del colorante por los radicales OH● (Romero, 2016, p.13).
La reacción de oxidación Fenton es exotérmica es decir desprende calor, con el incremento de la temperatura la velocidad de reacción aumenta, esto favorece a la oxidación para las sustancias refractarias. A presión atmosférica, el rango recomendable de operación es entre 40 y 50°C, ya que, si sobrepasa los 50°C, ocurre una descompensación acelerada del H2O2 en oxígeno y agua; operando a presiones de hasta 3 atm se pueden alcanzar temperaturas superiores a los 100°C sin riesgo de descomposición del H2O2 (Terán, 2016, p. 29).
La presencia de la luz UV favorece a la velocidad de reacción, ya que el tipo de luz utilizado también puede contribuir con los resultados, siendo la radiación UV más beneficiable para este proceso (Gutierrez – Mata et al., 2017, p. 2).
A medida que aumenta la distancia de la fuente de luz, la intensidad de esta disminuye, de esta manera disminuyendo la velocidad de reacción. Esto atribuye al aumento del número de fotones que reaccionan con iones Fe3+ y, como resultado hay un aumento en el número de radicales OH● y un aumento correspondiente en la tasa de reacción (Calderon y Olortico, 2019, p.33). En la tabla 5 se muestran los diferentes tipos de radiación y sus longitudes de onda.
Tabla 5. Tipos de radiación UV
UV VUV 100 – 200nm UVC 200 – 280nm UVB 280 – 316nm UVA 315 – 400nm Visible 400 – 700nm Fuente: Terán, 2016, p. 29.
Las longitudes de onda empleadas comúnmente se encuentran en el rango de 300 nm (UVB) hasta el rango visible ya que ayuda a generar OH● adicionales a los que se producen durante la reacción Fenton. En caso se utilice radiación con longitud de onda menor a los 360 nm, se originan OH● debido al fotolisis del H2O2 (Montiel, Vergara y Torres, 2019, p.42).
28 A continuación, se muestra las ventajas y desventajas de los procesos Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y Fotofenton, representadas en la Tabla 6.
Tabla 6. Comparación de los procesos Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y
fotofenton
Fuente: (Barliza y Torres, 2018, p.33), (Pelayo, 2018, p.29) y (Sánchez, 2015, p. 15).
Se encontraron los siguientes artículos de investigación y tesis de doctorado, que se describe en la tabla 7.
Tipo de Fenton
Ventajas Desventajas
Fenton Homogéneo
-Amplio rango de aplicación a diversos tipos de efluentes. - Facilita la biodegradación de compuestos orgánicos refractarios.
- Menores costes de
inversión con relación a otros POAs.
- Producción de lodos, debe ser separado en la mezcla liquida en una etapa posterior a la oxidación.
- Limitado rango de pH de entre 2.8 a 3, salvo que se acidifique. - Consumo de reactivos, el Fe2+ no se regenera, el elevado consumo de H2O2. Fenton Heterogéneo -Expande el rango de pH. - Reduce los problemas de la separación de hierro tras el tratamiento.
- Aumenta la actividad catalítica.
- Minimiza la lixiviación.
- Cinética lenta.
-Características del catalizador. - Filtración de los iones de hierro en la reacción, pierde actividad.
- Contaminantes secundarios de iones metálicos.
Foto-Fenton
- Concentración de Fe2+ menor a la que se emplea en el proceso Fenton.
- Alta velocidad de reacción y puede ser alimentado con luz solar.
- Debe adicionarse
continuamente H2O2 al medio de reacción.
- Debe trabajar con pH inferior a 3, pues con un pH mayor, los iones Fe3+ podrían precipitar.
29
Tabla 7. Revisión bibliográfica consultada para el análisis del Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y Fotofenton
AUTOR(ES) TIPO DE
COLORANTE
TIPO DE
FENTON PARÁMETROS RESULTADOS
Salas (2010) - pp.30-38 Azul de metilo
Fenton homogéneo pH=3; H2O2 = 3612mg/L; Fe2+= 200mg/L; t=40min 96% de color. Terán et al. (2015) pp.65-80 Amarillo 160 Fe2+ = 10mg/l; H2O2=30mg/l pH=3.5; t=90min 99.95% de COT 100% de turbidez Ertugay y Acar (2017) – pp.130-139
Azul directo 71 Fe2+ = 3mg/L; H2O2 = 125mg/L; pH= 3; t=120min 94% de color y 50.7% de DQO Rubeena et al. (2018) – pp320-329 Rojo ácido 1 Fenton Heterogéneo
Biochar de cascará de arroz (BCR) Fe= 5gr/L; H2O2= 16Mm y pH=3.
Biochar de fibra de coco (BFC) Fe= 4gr/L, H2O2= 16Mm y pH=3 84,2% de COT; 97,6% de color 86,7% de COT; 99,1% de color Mengfan et al (2016) – pp.523-532
Azul metileno Fe (CS-Fe) = 1000mg/L; H2O2=
1200mg/L; pH=5; t=30min
90% de color
Duarte et al (2013) – pp.1-23 Azul Alcián Fe (CA-Fe) = 0.01Mm; H2O2= 30mM, pH= 2.5
93,2% de color y 54,1% de COT
30 Khataee, Gholami y Sheydaei (2015) – pp.1- 8 Anaranjado reactivo 29 Pirita= 3g/L, H2O2= 3mM, pH=2 t=120min 94.4% de color Idel-aouad et al. (2011) – pp.745- 750
Rojo acido 14 H2O2 al 35%= 7Mm
Fe+- zeolita= 15gr/L; T°=60°C -90% de color Baptiste et al. (2019) pp.473-479 Naranja G Foto-Fenton pH= 3; Fe2(SO4)3= 0.1mM; H2O2 (30%) = 13.8 mM; λ=240–300 nm; t=4min 93.4% de COT (Carbón Orgánico Total)
Anaya, (2019) – pp.55-61 Amarillo sunfix H2O2 al 50% =300mg/L; FeSO4.7H2O = 3,52 mg/L; 2 lámpara UVC; pH= 2.51: t=30 min 100% de color Naeem y Al-Kateeb (2018) – pp.2309-2313
Rojo directo H2O2 = 75mg/L; Fe2+= 7.5mg/L
pH= 3, t=30min y 2 lámpara UVC
-90.5% de color
Mansooreh et al. (2018) – pp.15-26
Rojo directo 81 H2O2 = 50mg/L; Fe2+= 10mg/L; pH= 3; Lampará UVC – 8w/m2
Se removió el color al 98.1% Fuente: Elaboración propia, 2020.
31 En el Territorio peruano no existen normativas específicas relacionadas al cuidado del agua en el ámbito de la industria textil, por ello se toma en cuenta el Decreto Supremo N°010-2019-VIVIENDA de los Valores Máximos Admisibles (VMA) para las descargas de aguas no domesticas en cuanto al vertimiento de sus efluentes al sistema de alcantarillado, representada en la Tabla 8. En la Ley N°28611 (Ley General Del Ambiente) en su artículo 122, enciso 122.3 Se menciona que toda Industria o Pymes que generen aguas residuales en sus procesos, se hacen responsables de su tratamiento para que reduzcan los niveles de contaminación, y esto debe estar establecido en un Instrumento de Gestión Ambiental (IGA), D.S. N°004-2017. Está prohibido el vertimiento directo o indirecto de agua residual sin dicha autorización (Diario El Peruano, 2018).
Tabla 8. Valores máximos admisibles
PARÁMETRO UNIDAD SIMBOLOGÍA VMA
Demanda Química de Oxígeno
mg/l DQO 1000
Potencial de Hidrógeno unidad pH 6-9
Temperatura °C T <35
32 III.MÉTODO
33 3.1 Tipo de investigación y diseño
El tipo de investigación es de tipo básico, así también se denomina investigación teórica, se caracteriza porque se origina en un marco teórico para incrementar los conocimientos científicos, pero sin contrastarlos en aspecto prácticos (Muntané, 2010, p.221).
El diseño de investigación es un diseño cualitativo narrativo de tópicos, el diseño narrativo se refiere a toda la historia de un individuo, parte de ella o un suceso concreto y por otra parte el diseño narrativo de tópico está enfocado a una temática, suceso o fenómeno (Hernandez, Fernandez y Baptista, 2014, p.490)
3.2 Categorías, subcategorías y matriz de categorización apriorística A continuación, mostraremos en la tabla 9 la matriz de categorización apriorística:
34 Objetivos
Específicos Problemas específicos Categoría Subcategoría Unidades de análisis Determinar los
mecanismos involucrados en la degradación de colorantes textiles del proceso fenton homogéneo,
fenton
heterogéneo y fotofenton
¿Cuáles son los mecanismos
involucrados en la
degradación de
colorantes textiles del
proceso fenton homogéneo, fenton heterogéneo y fotofenton? Mecanismos de degradación Fenton homogéneo Aranibar (2016, p.11-12); García (2016, p.9) Medina (2018, p.29); Salas (2010, p.35) Nichela (2012, p.6); Ramos (2018, p.19)
Oturan y Aaron (2014, p.2579); Soon y Hameed (p.9) Mishra et al. (2017, p.479); Babuponnusami (2014, p.2-3)
Fenton heterogéneo
Xia et al. (2011, p.118); Liu et al. (2017, p.643); Karthikeyan et al. (2011, p.439);
Pelayo (2018, p. 24); Xue et al. (2009, p.438); Vargas (2016, p. 15); Duarte et al. (2013, p. 40); Rubeena et al. (2018, p.327); Zhang et al. (2019, 113) foto-Fenton Baptiste et al. (2019, p. 473-479); Anaya (2019, p. 55-61); Naeem y Al-Kateeb (2018, p. 2309-2313); Mansooreh et al. (2018, p.15-26); Ramírez (2016, p.27-29); Pérez (2010, p. 2533); Rozas (2010, p. 1026); Hincapié (2010, p.35); Aungsten (2009, p.19); Martínez et al. (2014, p. 45). Determinar los parámetros de control más importante del proceso fenton homogéneo, fenton
¿Cuáles son los parámetros de control más importantes del proceso fenton homogéneo, fenton heterogéneo y fotofenton? Parámetros del fenton homogéneo -Catalizador -Peróxido de hidrógeno -pH -Temperatura - Tiempo Babuponnusami (2014, p.3-4); Nidheesh (2013, p.2120); Wang (2015, p.763-766)
Bello (2019, p.129-130); Gamarra y La Rosa – Toro (2014, p.28-29); Arroyave et al. (2012, p.53); Du (2013, p.5956-5957); Punzi, Mattiasson y
Jonstrup(2012, p.33); Sina y Mohsen (2017, p.118-119)
35 Fuente: Elaboración propia, 2020.
heterogéneo y fotofenton
Khataee (2015, p.6); Atallah et al. (2014, pp.14-18) Rubio et al. (2014, p. 217); Pignatello (2007, p.21).
Parámetros del fenton heterogéneo +Catalizador sólido +peróxido de hidrogeno. +pH
Mengfan et al (2016, p.525); Valderrama et al. (2017, p.459); Morales (2015, p.27);
Becelic et al. (2013, p.6); Sekaran et al. (2011, p. 502)
Blanco (2009, pp. 59-60); Zhong et al. (2013, p.29); Bouasla et al. (2010, p.38); García et al. (2012, p. 304); Méndez et al. (2010, p. 213); Karthikeyan et al. (2011, p. 1835); Zárate et al. (2019, p.699). Parámetros del fotofenton -Catalizador -Peróxido de hidrógeno. -Radiación -pH Castro y Durán (2014, p.43); Ramírez (2010, p.28); Romero (2016, p.13); Terán (2016, p. 29);
Gutierrez – Mata et al. (2017, p. 2) Calderon y Olortico (2019, p.33); Montiel, Vergara y Torres (2019, p.42).
36 3.3 Escenario de estudio
Este estudio de investigación contempla ningún escenario especifico, debido a que se trata de una revisión bibliográfica.
3.4 Participantes
Se revisó artículos científicos, tesis de doctorados y libros a nivel nacional e internacional acerca de la remoción de colorantes textiles mediante el fenton homogéneo, fenton heterogéneo y fotofenton. Los artículos científicos de revista indexadas obtenidos en las bases de datos de Web of Science y Scopus. ProQuest, ScienceDirect, Pubmed, Google académico y Scielo.
3.5 Técnicas e instrumentos de recolección de datos
La técnica que se utilizó fue de análisis documental según Flores (2019) se recolectan datos de fuentes secundarias como: libros, boletines, revistas, folletos, y periódicos se utilizan como fuentes para recolectar datos sobre las variables de interés (p.55).
Así mismo, para esta investigación se hizo uso de una ficha de recolección de datos que es mostrada en el anexo 2, la cual incluye información de: autor, título, tipo de fenton, parámetros, resultados y conclusiones.
3.6 Procedimientos
Para comenzar la búsqueda de información usamos las bases de datos como: ProQuest, ScienceDirect Google académico, respositorios de diversas universidades. En cada uno usamos palabras claves como: colorantes textiles, proceso fenton, proceso de oxidación avanzada, fenton homogéneo, fenton heterogéneo, fotofenton, textile dyes, fenton process, advanced oxidation process, homogeneous fenton, heterogeneous fenton, photo-fenton. Así mismo obtuvimos 110 revisiones para luego quedarnos con 85 revisiones. A continuación, en la tabla 10 se puede ver el resumen de los documentos utilizados considerando los criterios de inclusión y los criterios de exclusión.
37
Tabla 10. Resumen de criterios de búsqueda
Tipo de document o Cantidad Palabras clases de búsqueda Criterio de inclusión Criterios de exclusión Artículo científico 65 Colorantes textiles, proceso fenton, proceso de oxidación avanzada, fenton homogéneo, fenton heterogéneo y fotofenton -Los últimos 5 años -Artículos muy antiguos por debajo del año 2000 Libros 05 -Información requerida -Poca información Tesis 15 Tesis de maestría y doctorado Tesis de pregrado Fuente: Elaboración propia, 2020.
3.7 Rigor científico
El presente trabajo de investigación tiene el rigor científico debido a que cumple con los siguientes criterios: la dependencia según el autor Suarez (2007) menciona que implica el nivel de estabilidad de los resultados y hallazgos del estudio (p.650), en nuestro trabajo de investigación contamos con resultados según nuestros objetivos; la credibilidad según Arias y Giralldo (2011) se reconoce cuando los hallazgos pueden ser creíbles o no creíbles, para ello, la investigación es fiable y será demostrados en los resultados (p.503), para eso nuestra investigación es creible ya que tenemos varias referencias de un solo tema; la transferencia (aplicabilidad de resultados) según Salgado (2007) es la posibilidad de trasladar los resultados a otros contextos o grupos en estudios posteriores (p.75) y la confirmación (Confirmabilidad) según Hernández, Fernández y Baptista (2014), este criterio permite a otros investigadores que examine los datos y puedan llegar a conclusiones iguales o similares del investigador original, con esta revisión bibliográfica ayudaremos a posteriores investigaciones.
3.8 Método de análisis de información
Según Sarduy (2007) nos menciona que el análisis de información es obtener ideas principales de las distintas fuentes de información, lo cual permite expresar el contenido sin rodeos (p.3). Así mismo se procedió agrupar la información de los antecedentes según la matriz de categorización tabla 9, se
38 analizó las similitudes y diferencias de las categorías de mecanismo de degradación y parámetros de control.
3.9 Aspectos éticos
El presente trabajo de investigación es original, así mismo se cumple con los valores morales de veracidad y cumplimiento en la ejecución del trabajo y de los resultados. Las fuentes y referencias a utilizar en este proyecto están debidamente consignadas según el ISO 690, esta investigación es inédita y la revisión bibliográfica es el reflejo de la base datos obtenidos de las bibliotecas virtuales revisadas.
39 IV.RESULTADOS Y DISCUCIONES
40 4.1 Mecanismos de degradación de colorantes de los procesos del Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y Fotofenton
El resultado respecto a los mecanismos involucrados en la degradación de colorantes textiles del proceso fenton homogéneo son presentados en la figura 4.
Figura 4. Mecanismo de degradación mediante el proceso Fenton homogéneo
Fuente: Elaboración propia, 2020.
En la figura 4, se observa el diagrama de bloques del mecanismo del proceso Fenton homogéneo, dividido en tres etapas. La etapa I (reacción 1 y 2) donde se genera los OH● (Salas, 2010, p.35; Nichela, 2012, p.6; Ramos, 2018, p.19 y Oturan y Aaron, 2014, p.2579). Así mismo, en la etapa II los OH● al entrar en contacto con el colorante textil rompe los enlaces dobles del tipo de colorante a tratar, que dará paso a los intermedios orgánicos para luego en la etapa III los OH● sigan actuando con intermedios orgánicos hasta la degradación de estos y obteniendo como productos terminales CO2, H2O y PM (Productos Mineralizados) (Aranibar, 2016, p.11 – 12; Ortiz, 2009, p.88 y García, 2016, p.8).
El resultado respecto a los mecanismos involucrados en la degradación de colorantes textiles del proceso fenton heterogéneo representada en la figura 5.
Figura 5. Mecanismo de degradación mediante el proceso Fenton heterogéneo
Fuente: Elaboración propia, 2020. Etapa I •Reacción fenton (H2O2Y Fe2+) Etapa II • OH●+Colorante (ruptura de los enlaces) Etapa III •OH●+ intermedios orgánicos. •CO2 + H2O + PM Etapa I •Reacción fenton (H2O2+Fe2++sop orte sólido) Etapa II • OH●+Colorante (ruptura de enlaces) Etapa III •CO2 + H2O
41 El mecanismo inicia con la etapa I, el Fe3+ se impregna en la superficie del catalizador o soporte sólido para que de esta manera se formen sitios ferrosos, se continúa adicionando el H2O2 al catalizador sólido, generando los OH● los cuales serán adsorbidos por el catalizador(Xue et al., 2009, p.438; Huang y Huang, 2008, p.147), así continúa la etapa II dando lugar a una degradación catalítica del colorante, pues los OH● atacan a las especies adsorbidas en los sitios activos, de esta manera se rompen los enlaces doble del tipo de colorante a tratar (Rey, 2010, p.42 y Vargas, 2016, p. 15), para continuar en la etapa III donde los productos de la oxidación son desorbidos y difundidos en el resto del volumen de la solución y así los sitios activos puedan adsorber nuevos radicales OH● (Sekaran et al., 2011, p.501) y se obtendrá como productos finales el CO2 y H2O (García, 2018, p.17 y Karthikeyan et al., 2011, p.443).
El resultado respecto a los mecanismos involucrados en la degradación de colorantes textiles del proceso foto-Fenton representada en la figura 6.
Figura 6. Mecanismo de degradación mediante el proceso Fotofenton
Fuente: Elaboración propia, 2020.
La etapa I de degradación de colorantes textiles en este proceso inicia con la reacción Fenton convencional donde el Fe2+ se oxida a Fe3+ descomponiendo el H2O2 para formar los OH● (reacción 1) (Hincapié, 2010, p.35; Aungsten, 2009, p.19); por consiguiente, en la etapa II se aplica la radiación UV ya sea radiación solar o artificial, donde se incrementa la generación de los OH● esto se debe a la foto-reducción de Fe3+ a Fe2+, (Ramírez, 2010, p. 29; Martínez et al. 2014, p. 45; Calderon y Olortico, 2019, p.33) de esta manera se inicia la etapa III donde los OH● rápidamente entran en contacto con el colorante rompiendo los enlaces y anillos aromáticos dependiendo el tipo de colorante a tratar, la degradación en esta etapa se acelera debido a la radiación UV y al reactivo Fenton, así mismo en la etapa IV continúan los OH● que siguen
Etapa I •Reacción fenton (H2O2y Fe2+) Etapa II •H2O2+Fe3++ radiación UV Etapa III •OH●+Colorant e (ruptura de enlaces) Etapa IV •OH●+ intermedios orgánicos. •CO2 + H2O
42 actuando ante la presencia de intermedios orgánicos para llegar a su degradación o mineralización completa y obtener como productos finales al CO2 y H2O (Ramírez, 2010, p.27-28; Romero, 2016, p.13 y Rozas, 2010, p. 1026).
4.2 Parámetros de control de los procesos Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y Fotofenton
Así mismo los resultados de los parámetros de control más importantes del proceso Fenton homogéneo, Fenton heterogéneo y fotofenton, se muestra en los siguientes Figuras 7, 8 y 9:
Figura 7. Parámetros del proceso Fenton homogéneo
Fuente: Elaboración propia, 2020.
Como se observa en la figura 7 los parámetros son: Catalizador Fe+2, Peróxido de hidrogene (H2O2), pH, temperatura y tiempo.
La concentración inicial de Fe+2 empleada en cada proceso favorece la prolongación de la reacción, debido a una mayor producción de radicales OH• como lo mencionan en su investigación Babuponnusami (2014, p.3-4); Nidheesh (2013, p.2120) y Salas (2010, p.35). Así mismo la concentración del H2O2 óptima depende de la naturaleza y concentración del compuesto a tratar y de la concentración de hierro, según: Bello (2019, p.129-130); Gamarra (2014, p.28-29), Rojas et al. (2012, p.53) y Aranibar (2016, p.11-12). En su investigación Masooda et al. (2017, pp.146 - 147) y Jehangeer et al. (2018, pp.514 - 515) la remoción del colorante aumentó del 78 al 89% cuando la
FENTON
HOMOGÉNEO
Fe
+2
H
2
O
2
pH
T°
t
43 dosis inicial de H2O2 aumentó, pero un exceso en la concentración de H2O2 disminuyó el porcentaje de degradación al 80%, ya que se generan •OOH que son menos oxidantes que los OH•
El pH cumple un rol muy importante, ya que en los diferentes trabajos de investigación utilizaron un pH ácido en un rango de 2.8 -3 cuyos resultados fueron óptimos según Rojas et al. (2012, p.53); Du (2013, p.5956-5957); para valores del pH por encima de 4, la degradación disminuye drásticamente, aparecen precipitados de hidróxido de hierro y disminuye la cantidad de Fe+2 disponible, a valores de pH por debajo de 2.8 forman complejo de hierro [Fe(H2O)6]2+, que reacciona más lentamente con el peróxido de hidrógeno Atallah et al. (2014, pp.14-18)
Así mismo trabajar con una temperatura entre 25 y 45°C es el rango óptimo en el proceso fenton homogéneo (Blanco, 2009, p. 15) sí llegará sobrepasar este rango disminuye la estabilidad del H2O2 inicia la descomposición en oxígeno y agua, como nos lo menciona Medina (2018, p.35) y Nichela (2012, p.6). Mientras que para Wu et al. (2010, p.4) trabajo con un rango de 25 – 50 °C nos menciona que el aumento de temperatura acelero la generación de OH● y por ende una remoción de colorante más óptimo.
Desde un punto de vista económico, diferentes autores han demostrado que operar con altos tiempos de residencia no es viable (Rubio et al., 2014, p. 217; Pignatello, 2007, p.21); de hecho, con bajos períodos de tiempo la reacción de Fenton homogéneo se consiguen buenos niveles de degradación de contaminantes en comparación con otros procesos de oxidación química, así como lo demostraron Ertugay y Acar (2017, p.6); Mohajeri et al. (2010, p.692) y Elhalil et al. (2016, p.10)trabajaron con tiempos de 20, 30 y 60 min. respectivamente para luego obtener y la remoción del colorante a un 98%, 95% y 93,83% de remoción de color.
44 Como se observa en la figura 8 los parámetros son: Catalizador Fe+2, Peróxido de hidrogene (H2O2), pH, temperatura y el soporte sólido.
Figura 8. Parámetros del proceso Fenton heterogéneo
Fuente: Elaboración propia, 2020.
Con respecto al pH como parámetro influyente en el proceso Fenton heterogéneo; este permite emplear rangos mayores a 3, según Rubeena et al. (2018, p.320), Zárate et al. (2019, p.699) y Mengfan et al. (2016, p.355) donde en cada una de sus investigaciones llegan a eliminar un alto porcentaje de colorante de casi el 99%, mientras que para Duarte et al. (2013, p.34) y Khataee, Gholami y Sheydaei (2015, p. 966) que trabajaron en un rango de 2 a 2.5 de pH, obtuvieron un menor porcentaje de eliminación del color dentro 90 a 94%. Así mismo, para algunos autores el proceso heterogéneo generalmente tiene un amplio rango de pH como lo mencionan García et al. (2012, p. 304) y Zárate et al. (2019, p.699), mientras que para Becelic et al. (2013, p.6) y Sekaran et al. (2011, p.502) esto conlleva a una menor disolución de Fe2+, y no es tan conveniente debido a que favorece la disolución de iones ferrosos según sus investigaciones.
En el caso de la concentración del H2O2 varia debido a la carga orgánica que se pretende oxidar mencionado en la investigación de Méndez et al. (2010, p. 213), así mismo un incremento de la dosis de H2O2 aumentaran los OH•, lo que conduce a una
mayor tasa de oxidación de compuestos orgánicos según la investigación de Karthikeyan et al. (2011, p.443).
FENTON
HETEROGÉNEO
Fe
+2
H
2
O
2
pH
T°
Soporte
sólido
45 Para Romero (2016, p.39) y García (2014, p.14) el catalizador heterogéneo es parte fundamental de este proceso ya que, amplifica el proceso de reacción. Para Morales (2015, p.34); García et al. (2012, p. 304) y Soon y Hameed (2011, p.10-11) los catalizadores solidos como el carbón activado mesoporoso, son empleados mayormente debido a que el diámetro de poros de 2,5 nm facilita la dispersión de las sales de hierro, además su área superficial es adecuada para efectuar el proceso permitiendo así el ingreso de las partículas metálicas en sus poros. Afirmando esto en las investigaciones de Hartman et al. (2010, p. 900) Sekaran et al. (2011, pp. 501-502) mencionan que, si el carbón activado contiene microporos, para algunos contaminantes será muy difícil ingresar y reaccionar en los sitios activos. Así mismo para Rubeena et al. (2018, p.327) y Zhong et al. (2013, p.29) y García (2016, p.3) la disminución del tamaño de la partícula del catalizador aumenta la eficiencia del proceso Fenton.
Con respecto a la temperatura, para García et al. (2012, p.309), Méndez et al. (2010, p.212) y Valderrama et al. (2017, p.459) el rango óptimo para trabajar con este parámetro es a presión atmosférica y temperatura entre 20 y 45 °C. Como menciona Morales (2015, p.27), el incremento de esta beneficia la cinética de degradación de los contaminantes, pero para Blanco (2009, pp. 59-60); Bouasla et al. (2010, p.38) y Karthikeyan et al. (2011, p. 1835) un excesivo incremento de temperatura es perjudicial puesto que acelera la descomposición del H2O2, por lo tanto, una disminución de la generación de radicales OH•.
Como se observa en la figura 9 los parámetros son: Catalizador Fe+2, Peróxido de hidrogene (H2O2), pH y la radiación.
46
Figura 9. Parámetros del proceso Fotofenton
Fuente: Elaboración propia, 2020.
Con respecto al pH como parámetro influyente en el proceso Fotofenton el rango óptimo para trabajar es de 2.8 a 3 ya que se han encontrado mejores resultados de acuerdo a las investigaciones de Baptiste et al. (2019, p. 473-479); Naeem y Al-Kateeb (2018, p. 2309-2313) y Mansooreh et al. (2018, p. 15-26), ya que, según Ramírez (2010, p.28) y Castro y Durán (2014, p.43) en rangos de pH mayores a 5, se produce la precipitación de hidróxido férrico y la descomposición de H2O2, disminuyéndose el rendimiento de la reacción o incluso inactivándose.
En las investigaciones de Calderón y Soto (2019, p.33) y Ramos (2018, p.21) la dosis de H2O2 influye fundamentalmente sobre la eficacia del proceso, ya que, la degradación aumenta cuando se incrementa la dosis de H2O2; sin embargo, en la investigación realizada por Castro y Durán (2014, p.45-46) y Ramírez (2010, p.28) aumentar la dosis no es tan favorable ya que el H2O2 hace que disminuya la eficiencia del proceso e incluso la tasa de degradación cambiaría ligeramente.
Para autores como Sekaran et al. (2011, p.503) y Wang et al. (2009, p.1356) el incremento de sales de hierro Fe2+ aumenta la velocidad de oxidación de la materia orgánica, mientras que para Ramírez (2016, p.28-29); Hincapié (2010, p.35); Aungsten (2009, p.19) y Martínez et al. (2014, p. 45) la concentración de Fe2+ afecta a la cinética de la reacción ya que un exceso de hierro da lugar a una disminución en la eficacia del proceso, por ello ésta siempre tiene que ser menor a la concentración de H2O2, ya que se forman sustancias no deseadas como hidróxido férrico (Fe(OH)3) debido a la captación de OH• por los iones de Fe2+.
FOTOFENTON
Fe
+2
H
2
O
2
pH
47 La radiación es parte importante también de este proceso a medida que la intensidad de la luz disminuya, la velocidad de reacción será más lenta según Gutierrez – Mata et al. (2017, p. 2). Para Brillas y Segura (2019, p.55) y Terán (2016, p. 29) la longitud de onda optima empleada en este proceso se encuentran en el rango de 300 nm (UVB), mientras que para Pérez et al. (2001, p.2709) y Montiel, Vergara y Torres (2019, p.42), el rango óptimo según sus investigaciones es de 360 nm, ya que, se originan los OH●debido al fotólisis del H2O2.
Como resultado global con respecto a los parámetros que influyen en cada uno de los procesos Fenton:
Tanto el proceso Fenton homogéneo y Fotofenton dependen fuertemente del pH, ya que este parámetro influye en la generación de OH●. En las investigaciones de los
autores como Rojas et al. (2012, p.53); Du (2013, p.5956-5957); Baptiste et al. (2019, p. 473-479); Naeem y Al-Kateeb (2018, p. 2309-2313) y Mansooreh et al. (2018, p. 15-26) el valor óptimo es de 2.8 a 3, ya que a este rango se permite solubilizar los iones de Fe3+, haciendo que esto asegure el proceso y se puedan generar más OH•. El proceso Fenton heterogéneo a diferencia de los procesos Fenton homogéneo y Fotofenton, permite emplear valores de pH mayores a 3 o incluso puede ser neutro. El aumento de la dosis de H2O2 es beneficioso para mayor generación de OH• esto se cumple para cada uno de los procesos Fenton ya mencionados (Gamarra, 2014, p.28-29; Rojas et al., 2012, p.53; Méndez et al., 2010, p. 213 y Castro y Durán, 2014, p.45-46). Con respecto a la dosis de Fe+2 actúa como catalizador en el Fenton homogéneo y Fotofenton debido que ambos procesos se encuentran en una misma fase (Baptiste et al., 2019, p. 473-479; Naeem y Al-Kateeb, 2018, p. 2309-2313) a comparación de Fenton heterogéneo va depender de un catalizador sólido, la disminución del tamaño de la partícula del catalizador aumenta la eficiencia del proceso Fenton heterogéneo (Morales, 2015, p.34; García et al., 2012, p. 304 y Soon y Hameed, 2011, p.10-11). Para los procesos Fenton homogéneo y heterogéneo en la mayoría de investigaciones trabajaron a presión atmosférica y temperatura entre 20 – 45 °C (Méndez et al., 2010, p.212; Valderrama et al., 2017, p.459 y Medina, 2018, p.35), a comparación con el proceso Fotofenton trabajaron con una temperatura mayor a 45°C.
48 V. CONCLUSIONES
