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Ingeniería ambiental

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Tratamiento de aguas residuales, efluentes y aire al servicio del Medio Ambiente

Tecnologías de desalación: evolución y perspectivas

tecnologías de desalación

Autor: Mike Blake/Reuters

Los orígenes de las tecnologías de desalación datan de la época de Aristóteles (384-322 a.C.) cuando éste fabricó el primer evaporador conocido y en sus obras hablaba de la desalación del agua del mar. No obstante, no fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial que empezaron a construirse las primeras plantas desaladoras.

En 1960, en la Universidad de California se construye la primera membrana de ósmosis inversa, de acetato de celulosa, que es capaz de impedir el paso de sales y permitir el paso de un flujo de agua razonable. A partir de esta membrana básica, la tecnología no ha dejado de evolucionar para conseguir una mayor eficiencia energética y un menor coste de operación.

La eficiencia energética no puede incrementarse sin límite, puesto que termodinámicamente hay un coste energético mínimo que no se puede reducir. Éste depende de las características fisicoquímicas del agua a desalar, del porcentaje de recuperación del proceso y de la salinidad. Así, de forma teórica, el mínimo consumo energético necesario para desalar el agua de mar con una salinidad de 35 g/L y con una recuperación estándar del 45% es 1,97 kWh/m3.

Con la mejor tecnología actualmente disponible, el consumo mínimo industrial está en 2,51-2,74 kWh/m3 en función de si se utilizan turbinas Pelton o cámaras isobáricas –más eficientes– para la recuperación de la presión. A tenor de estos valores, se observa que los márgenes disponibles para reducir los consumos energéticos son ya muy reducidos.

Actualmente, se pueden construir plantas desaladoras con un consumo energético en la fase de ósmosis de 2 kWh/m3, con un índice de recuperación del 45%, que equivaldría a un consumo global de 2,5 kWh/m3. Un factor importante para mantener controlado el consumo energético en la desalación se centra en impedir el ensuciamiento de las membranas (fouling), el cual centra los objetivos de numerosas líneas de investigación. El fouling afecta directamente al rendimiento energético, a la vida útil de las membranas y a la ratio de producción de agua.

Para continuar reduciendo el consumo energético, cabe descartar avances en los equipos auxiliares a las membranas y circuitos hidráulicos, ya que prácticamente no disponen de margen de mejora. Las líneas de investigación más prometedoras se centran en la reducción de las presiones de trabajo sin que por ello se vea disminuido el flujo de permeado. Los principales fabricantes de membranas están trabajando en esta dirección y ya existen membranas con un funcionamiento muy satisfactorio trabajando a una presión total de 55 atm, en vez de 70 atm como se venía haciendo desde hace poco tiempo.

El futuro a medio plazo es preocupante, puesto que las reservas de agua dulce cada vez serán menos fiables además de estar menos disponibles. Se calcula que en 2016 un 1% de la población mundial se abastece de agua desalada y que en 2025 este porcentaje alcanzará el 14%. Ante este escenario, los avances en la reducción del consumo energético en la desalación permitirán que siga proliferando la construcción de plantas desaladoras basadas en la ósmosis inversa por todo el mundo.

El consumo energético depende fuertemente de la salinidad del agua a tratar, por lo que se hará necesario priorizar las fuentes de las cuales obtener agua dulce. El futuro pasa inexorablemente por la reutilización de las aguas residuales, primero, y por la desalación de las aguas salobres del interior, después. La desalación de agua de mar deberá ser el último recurso. En Israel, país a la vanguardia en el uso eficiente del agua y de las tecnologías hídricas, se reutiliza el 80% de las aguas residuales.

Una alternativa económica y que actualmente se empieza a barajar su implementación consiste en el tratamiento mediante ósmosis inversa de las aguas residuales urbanas, ya depuradas, para su inyección en acuíferos subterráneos. La recarga de éstos mediante esta técnica es rápida y controlada, permitiendo que posteriormente la potabilización de esta agua no sea compleja. En España, la reutilización de las aguas residuales urbanas para su uso como agua potable, aunque técnicamente es posible, la legislación no lo permite. La única excepción está precisamente si el agua residual tratada mediante ósmosis inversa es inyectada previamente en un acuífero subterráneo antes de su potabilización.

El informe de 2014 de las Naciones Unidas sobre el desarrollo del agua en el mundo (http://www.unesco.org/new/es/natural-sciences/environment/water/wwap/wwdr/2014-water-and-energy/#c1464954) constata que existen más de 16.000 plantas desaladoras repartidas por todo el mundo en un total de más de 150 países, con una capacidad de producción que podría llegar a doblarse en 2020. Existen proyectos de investigación alrededor de la ósmosis inversa que hacen pensar que: (1) esta técnica seguirá siendo en los próximos 10 años la tecnología de referencia para la producción de agua dulce con algunas mejoras, algunas sustanciales, y (2) algunos proyectos de investigación son muy prometedores y acabarán proporcionando resultados útiles y valiosos que permitirán reducir aún más los costes energéticos y ambientales, además de los económicos.

Entre los proyectos de investigación más prometedores para nuevas tecnologías de desalación se encuentran los siguientes:

1. Tecnología ReFlex de la compañía Desalitech (USA)

Esta tecnología se basa en un sistema equiparable a un sistema de ósmosis inversa convencional que opera en batch. El porcentaje de recuperación lo determina la frecuencia de las etapas de purga que son ordenadas por un software específico, en vez del diseño mecánico y el número de etapas como sería en un sistema de ósmosis inversa convencional. El sistema ReFlex empieza realizando batchs a baja presión y va incrementando ésta gradualmente a medida que la concentración aumenta, hasta llegar al grado de recuperación indicado. Este funcionamiento hace que la presión media sea inferior a la presión constante del sistema convencional. Además, la presión de la purga es mínima, a diferencia del sistema convencional. Mediante este tipo de operación, el consumo de energía respecto al sistema convencional se reduce en un 20-35%.

2. Tecnología de la compañía IDE Technologies (Israel)

IDE Technologies ha desarrollado unas membranas de 16” en arreglo vertical, de forma que se reducen recipientes a presión, colectores, equipos de control y reduce el tamaño de la planta. Mediante esta tecnología se construyen plantas muy compactas y es especialmente importante cuando se trata de diseñar plantas desaladoras de elevada capacidad. Con esta avanzada tecnología, esta empresa ha diseñado y construido la planta desaladora más grande y avanzada del mundo hasta la fecha, en Sorek (Israel), la cual tiene una capacidad de 624.000 m3/día.

3. Membranas de óxido de grafeno, Universidad de Berkeley (USA)

Un grupo de investigadores de la Universidad de Berkeley (USA) ha diseñado y construido una membrana de óxido de grafeno perforada con un grosor de un átomo, que hace posible la desalación con una mínima parte del coste originado por la ósmosis inversa convencional. Los poros se pueden manipular para variar la permeabilidad de la membrana. De confirmarse su aplicación a escala industrial, se revolucionará los sistemas actuales de ósmosis inversa y se reducirán significativamente los costes económicos de operación.

Las mejoras innovadoras que se están introduciendo en la ósmosis inversa, fruto de la investigación, hacen que esta tecnología sea el referente para la eliminación de sales a corto y medio plazo, tanto para la producción de agua para el consumo como a nivel industrial. Cabe destacar la idoneidad de esta tecnología para aquellas aplicaciones industriales basadas en el concepto de vertido cero.

Profundizando en el campo de las aplicaciones industriales, en las que la ósmosis inversa goza de una hegemonía clara por su eficacia, alrededor de la ósmosis inversa existe una serie de técnicas complementarias que en situaciones concretas pueden incluso mejorar sus prestaciones. Es el caso de la ósmosis forzada y de la destilación por membranas. La ósmosis forzada, en la que la elevada presión osmótica creada por la adición de un compuesto fácilmente separable es la fuerza impulsora del flujo a través de la membrana, presenta una elevada eficiencia energética y en algunos casos puede ser una gran competidora de la ósmosis inversa. Se trata de una técnica con un futuro prometedor. Por otro lado, existe una tecnología relativamente reciente, la destilación por membranas, la cual se presenta como una solución para aquellas mezclas difíciles de separar y que la combinación de la diferencia de presiones de vapor y de diferente permeabilidad a través de una membrana semi-permeable hacen que la separación pueda ser efectiva y viable. Ambas tecnologías complementan la ósmosis inversa y allanan el camino en el diseño del tratamiento óptimo en numerosas industrias.

Por todo lo expuesto, en un futuro previsible la ósmosis inversa –con las tecnologías asociadas–seguirá siendo la primera opción para la separación de sales, tanto en la desalación de agua para el consumo humano como para las variadas aplicaciones industriales. Actualmente, el coste del agua desalada para el consumo humano es el doble del agua dulce superficial. Pero ésta cada vez será más escasa y menos fiable. Se prevé que en 2025 los costes de desalación igualen a los costes de extracción de agua dulce.

Fotocatálisis para el tratamiento de emisiones COV’s

Oxidación fotocatalíticaLa fotocatálisis es una de las variantes de los procesos de oxidación avanzada (PAO), que son particularmente interesantes para el tratamiento del agua y el aire debido a su eficiencia al neutralizar una gran variedad de contaminantes gracias a la generación de radicales hidroxílicos altamente reactivos. Entre los PAO, la fotocatálisis, principalmente la que usa dióxido de titanio (TiO2) como fotocatalizador, se ha estudiado ampliamente en los últimos años. Esta nueva tecnología es considerada hoy en día como un competidor de las técnicas de purificación clásicas. Por esto, cada vez se pueden encontrar en la literatura más estudios científicos y patentes.

Aunque en un primer momento se usaban fotocatalizadores de TiO2 para el tratamiento del agua, en los últimos años se ha visto que la oxidación fotocatalítica de compuestos orgánicos volátiles (COV) es generalmente más eficiente en la fase gaseosa que en la fase líquida.

Últimamente, el número de patentes de tratamiento de aire supera al de todas las patentes de tratamiento de agua y de superficies autolimpiables. Esto demuestra el interés real que muestra la comunidad industrial en las aplicaciones de limpieza de aire.

Los orígenes de la fotocatálisis

El primer informe publicado sobre la fotorreactividad fue elaborado por Renz en 1921. Sin embargo, el primer título que hacía referencia al término “foto-catálisis” no se publicó hasta 1964, en un artículo de Hauffe en el Journal of Catalysis. De acuerdo con Teichner et al. [1], es interesante destacar que el concepto y el término “fotocatálisis heterogénea” se introdujo y desarrolló en Lyon en 1972, donde también se propusieron posibles soluciones fotocatalíticas a varios problemas medioambientales usando TiO2.

Inicialmente, P. Pichat y J. M. Herrmann extendieron los primeros estudios sobre la fotocatálisis heterogénea de Lyon a aplicaciones medioambientales y contra la contaminación en el Instituto de Investigación sobre la Catálisis (IRC). En 1999, la publicación de “Heterogeneous photocatalysis: fundamentals and applications in the removal of various types of aqueous pollutants”, de J.M. Herrman, ganó un premio por ser uno de los 10 artículos más citados ese año en Catalysis Today [2].

Fotocatálisis mediada por TiO2

De entre los semiconductores disponibles que se pueden usar como fotocatalizadores, el TiO2 es considerado normalmente el mejor fotocatalizador disponible hoy en día. Una abrumarte mayoría de la literatura referente a la fotocatálisis se centra en identificar las propiedades, aplicaciones y teoría de uso del dióxido de titanio como semiconductor. Hay buenas razones para que el TiO2 sea el semiconductor preferido, como por ejemplo:

  • Tiene un gran potencial de oxidación a temperatura y presión ambiente.
  • Muestra una gran actividad fotocatalítica para degradar una amplia gama de contaminantes medioambientales.
  • Es químicamente inerte.
  • Es físicamente estable.
  • No es tóxico.
  • Es superhidrofilico.
  • Es económico y fácilmente accesible.

Ya hay varios productos comerciales de TiO2 fotocatalítico disponibles en el mercado; en particular Degussa P25 TiO2, que en muchos aspectos se considera un estándar y se utiliza a menudo como elemento de comparación en la experimentación científica para determinar la actividad fotocatalítica.

¿Qué es un semiconductor?

Los materiales semiconductores se caracterizan por su estructura electrónica, que se puede describir con la teoría de bandas de los materiales [3]. La teoría de bandas establece que todos los materiales tienen unos niveles electrónicos posibles, definidos como bandas. Los materiales se clasifican según la separación energética que existe entre dichas bandas, también conocida como la banda prohibida. La figura 1 ilustra esquemáticamente las diferencias en la estructura electrónica de un aislante (banda prohibida muy grande), un semiconductor (banda prohibida menor) y un metal (sin banda prohibida, con una continuidad de los estados electrónicos por todo el material). De acuerdo con la teoría de bandas, la banda de valencia correspondería a los niveles de energía ocupados, mientras que la banda de conducción estaría constituida por los estados electrónicos disponibles vacantes hasta que el material se excita térmica o electrónicamente.

Estructura de bandas de un aislanteFigura 1. Diagrama esquemático de la estructura de bandas de un aislante, un semiconductor y un metal.

Fotoexcitación del TiO2

En la Figura 2 se ilustra la formación de un par electrón-hueco en la fotocatálisis del TiO2. Los electrones de valencia responsables de mantener juntos los átomos ocupan normalmente la banda de valencia. Los electrones responsables de las propiedades electroconductoras ocupan la banda de conducción. Entre las dos bandas se encuentra la banda prohibida o brecha energética. Esta región está sin ocupar, puesto que los electrones no pueden tener el valor energético correspondiente al nivel prohibido. Un conductor tiene suficientes electrones para ocupar también la banda de conducción, mientras que, en un aislante, la banda de conducción está esencialmente vacía. El dióxido de titanio (TiO2) es un semiconductor, lo que significa que tiene una banda prohibida más estrecha (3,2 eV para anatasa y 3,0 eV para rutilo) que los aislantes. La banda de conducción se hace accesible a los electrones de la banda de valencia cuando hay suficiente energía para la excitación. Esta energía permite a los electrones “saltar” a través de la banda prohibida. El proceso de excitación del electrón deja detrás una carga positiva o hueco en la banda de valencia. La fotocatálisis mediada por el semiconductor se dispara por la capacidad de este par electrón-hueco de iniciar una reacción catalítica.

Electrón hueco TiO2Figura 2. Formación del par electrón-hueco en el TiO2 (rutilo – anatasa).

Mecanismo general de la reacción fotocatalítica

Fotocatálisis del TiO2Figura 3. Proceso general de la fotocatálisis del TiO2.

(a) El electrón de la banda de conducción que migra con éxito a la superficie inicia la reacción de reducción.
(b) El hueco de la banda de valencia que migra a la superficie inicia el proceso oxidativo.
(c) El hueco de la banda y el electrón de la banda de conducción se recombinan en el material en bruto.
(d) El hueco de la banda y el electrón de la banda de conducción se recombinan en la superficie.

Tratamiento del aire por oxidación fotocatalítica (OFC)

La OFC en la purificación del aire implica un gas cargado de contaminantes y un fotocatalizador, normalmente en formas inmovilizadas. A continuación, hay un resumen de las ventajas del tratamiento fotocatalítico del aire:

  • Fácil generación de la fotocatálisis.
  • Mayor tasa de reacción en comparación con la fotocatálisis líquida.
  • Capacidad de oxidar bajas concentraciones y corrientes de residuos de bajo caudal a temperaturas y presiones ambientales o distintas.
  • Las reacciones de fase gaseosa permiten la aplicación directa de las herramientas analíticas para monitorizar la composición, estructura y estado electrónico del substrato y los adsorbatos; por lo que los mecanismos de reacción pueden elucidarse directamente.
  • Los reactores fotocatalíticos pueden integrarse en sistemas de calefacción, ventilación o aire acondicionado (HVAC), nuevos o preexistentes, gracias a su diseño modular, su funcionamiento a temperatura ambiente y su despreciable caída de presión. Además, se pueden escalar para adecuarlos a una amplia variedad de aplicaciones de calidad del aire.
  • Utilización potencial de energía solar.

La tabla 1 resume los estudios sobre la fotocatálisis con TiO2 para el tratamiento del aire con distintos grupos de contaminantes orgánicos. La tabla muestra que los distintos grupos de productos químicos muestran un comportamiento diferente, único de cada grupo.

Tabla 1. OFC en la purificación del aireOFC en la purificación del aire

Parámetros que influyen en el proceso fotocatalítico

Un proceso fotocatalítico típico es muy complejo, con muchos factores que afectan a la eficiencia fotocatalítica. Es posible hacer una distinción entre los parámetros intrínsecos y los extrínsecos. Los parámetros intrínsecos son los relacionados con las propiedades del propio fotocatalizador (físicas y químicas). Los parámetros extrínsecos son factores externos, como las condiciones de operación. A continuación, se discuten algunos de estos parámetros.

  • Concentración de entrada del contaminante.
  • Temperatura.
  • Fuentes de luz (UV-Solar).
  • Soporte y carga de la catálisis.

Desactivación y regeneración del fotocatalizador

La desactivación del fotocatalizador sucede cuando se observa una disminución gradual de la tasa de conversión en experimentación prolongada con condiciones invariables. La pérdida de actividad fotocatalítica de catalizador se puede considerar reversible o irreversible. En general, la desactivación será irreversible si hay absorción química y reversible cuando la absorción sea física. La desactivación puede estar provocada por la absorción y acumulación de subproductos fuertemente unidos en la superficie, que bloquean los puntos activos del fotocatalizador.

Un fotocatalizador puede regenerarse parcial o completamente purgando el sistema con uno o más de los siguientes elementos:

  • Solo agua.
  • Aire puro bajo iluminación.
  • Aire húmedo con o sin iluminación.
  • Aire con H2O2, con o sin iluminación.
  • Aire con O3, con o sin iluminación.
  • Aire puro bajo iluminación a temperatura elevada.

Conclusiones

A pesar de que se ha hecho un gran trabajo en la fotocatálisis para el tratamiento del aire, el efecto medioambiental de la OFC todavía no se comprende del todo. Por lo general, en la literatura, el rendimiento fotocatalítico se evalúa en función de la conversión del contaminante objetivo y la influencia de los distintos parámetros operativos. Hay poca información sobre la naturaleza y tipo de subproductos producidos y ninguna sobre la mineralización del CO2. Esta información es esencial para entender el proceso y para desarrollar con éxito aplicaciones fotocatalíticas comerciales. La Figura 4 muestra el conocimiento actual en la aplicación de la tecnología de OFC para solucionar los problemas de contaminación aérea.

COV sobre TiO2Figura 4. COV actuando sobre el TiO2 irradiado: formación de contaminantes secundarios (2nd) reemitidos al aire tratado, especies de la oxidación ligadas a la superficie (surf) y formación de CO2.

Bibliografía

[1] Teichner, S., The origins of photocatalysis. Journal of Porous Materials, 2008. 15(3): p. 311-314.
[2] Herrmann, J.-M., Heterogeneous photocatalysis: fundamentals and applications in the removal of various types of aqueous pollutants. Catalysis Today, 1999. 53(1): p. 115-129.
[3] Mills, A. and S. Le Hunte, An overview of semiconductor photocatalysis. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 1997. 108(1): p. 1-35.

Evaporador de aguas residuales industriales

Evaporador de aguas residualesEl evaporador de aguas residuales Envidest MVR FC es un sistema de concentración al vacío diseñado para el tratamiento de aguas residuales industriales cuyo tratamiento acostumbra a ser complejo: aguas salinas (o salmueras), aguas aceitosas, aguas de baños de trabajo, rechazos de ósmosis inversa, etc.

A medida que el coste de la eliminación de las aguas residuales mediante un gestor externo sigue aumentando, cada vez son más las empresas que evalúan la posibilidad de reciclar una parte o la totalidad de sus aguas residuales. Ya son muchos los sectores industriales que actualmente implantan plantas de tratamiento de aguas residuales, tanto primarias como secundarias, en sus propias instalaciones con el objetivo de ahorrar costes en la gestión de residuos y ser, a su vez, más eficientes en su respeto por el medio ambiente.

La evaporación al vacío es una tecnología que permite el tratamiento de efluentes complejos que habitualmente son enviados a un gestor externo. El siguiente vídeo muestra con gran detalle el funcionamiento del Envidest MVR FC, un evaporador al vacío por circulación forzada diseñado y fabricado por Condorchem Envitech. Se trata de un sistema eficaz para el tratamiento de una gran diversidad de aguas residuales, que ha sido instalado con éxito en una gran variedad de sectores industriales.

El Envidest MVR FC es un evaporador de aguas residuales capaz de producir hasta 2.000 litros/hora de destilado (agua tratada).

Funcionamiento del evaporador de aguas residuales Envidest MVR FC

Basta con encender la bomba de vacío desde el panel de control principal y el tanque de la caldera del evaporador se llena. Debido a que el sistema esté bajo vacío, valores cercanos a los 600 milibares (mb) (0.6bar) son generados.

Una vez que el depósito de la caldera está lleno, se activa la bomba de recirculación y las resistencias eléctricas empiezan a trabajar para alcanzar una temperatura de funcionamiento de 600C (1400F).

Cuando la temperatura se alcanza, las resistencias eléctricas se detienen y debido al vacío del sistema, un valor alrededor de los 240 MB (2.4bar) se alcanza en el depósito de la caldera del evaporador.

A partir de este momento el agua residual empieza a evaporarse y la bomba root se activa. Esta toma el agua residual evaporada desde el depósito de la caldera y la comprime mediante la elevación de la temperatura y la presión de vapor. Luego transfiere el agua residual tratada al intercambiador de placas. En el intercambiador de calor de placas encontramos el agua residual entrante en un lado y en el otro el vapor del agua residual ya tratada.

Debido a la diferencia de temperatura entre los dos lados de las placas, el agua residual entrante más fría se calienta y el vapor de agua residual pierde calor, volviendo de nuevo a su estado líquido. Este líquido, denominado destiladoc sale del intercambiador de calor y se recoge en un depósito de destilado.

El agua residual entrante, que ahora se ha beneficiado de la transferencia de calor en el intercambiador de calor de placas, fluye hacia el tanque de la caldera del evaporador inicial.

A medida que el nivel en el depósito inicial de la caldera va bajando, una válvula de alimentación de entrada se abre para permitir de forma automática la entrada de más agua residual.

El destilado que se ha acumulado en el depósito de destilado se descarga a través de una bomba centrífuga. Este destilado pasa a través de un segundo intercambiador de calor de placas. En el lado contrario de las placas encontramos agua residual entrante. Este intercambiador de calor adicional aumenta aún más la eficiencia del sistema mediante el aumento de la temperatura de las aguas residuales a tratar. También ayuda a enfriar aún más el destilado de la descarga.

A medida que el sistema continúa tratando las aguas residuales, aumenta el nivel de concentrado en el depósito de la caldera del evaporador. Dicho depósito se configura de forma que vaya llevando a cabo descargas parciales programadas del concentrado, el cual será devuelto al depósito de suministro de aguas residuales.

Fotooxidación para el tratamiento de efluentes industriales

El tratamiento de los efluentes puede ser un objetivo complejo en algunos casos en los que los procesos convencionales son ineficaces, como ocurre cuando se requiere eliminar el color debido a la toxicidad de las estructuras polifenólicas. En estas circunstancias, cuando hay presentes productos orgánicos recalcitrantes, de origen industrial, los procesos de oxidación avanzada, o fotooxidación, se presentan como una solución sencilla y eficaz para tratar estos efluentes complejos. De entre estos procesos, los que presentan mejores perspectivas son los consistentes en la fotooxidación, ya sea en cualquier de sus dos variantes: fotólisis y fotocatálisis.

Los procesos de oxidación avanzada, en general tienen como objetivo la formación de radicales hidroxilo (OH•), los cuales son muy reactivos debido a su elevado potencial de oxidación. Estos radicales en presencia de materia orgánica desencadenan una serie de reacciones químicas que acaban dando como resultado la mineralización completa de los compuestos orgánicos, CO2 y agua.

Estos procesos son muy atractivos por la serie de ventajas que presentan, como la gran reactividad con la mayoría de compuestos orgánicos, la oxidación completa de tanto compuestos orgánicos como inorgánicos y la única emisión de compuestos inocuos, puesto que todos los oxidantes se acaban destruyendo en el proceso.

La fotólisis se basa en la irradiación del efluente con luz ultravioleta (230-170 nm) de forma que los compuestos químicos la absorben y como consecuencia se producen radicales libres. Como más baja sea la longitud de onda de la radiación, mayor energía se absorbe y mayor es la eficiencia en la destrucción de los contaminantes.

La radiación origina reacciones de oxidación mediante la formación de radicales libres. Para que estas reacciones se produzcan es necesaria la presencia de especies oxidantes, las cuales permiten la formación de estos radicales. Entre los agentes oxidantes más efecticos se encuentran el ozono y el peróxido de hidrógeno. La combinación de radiación ultravioleta y ozono o peróxido de hidrógeno es muy efectiva al constituir una gran fuente de radicales libres y consigue la oxidación no selectiva de la mayoría de las moléculas orgánicas. Asimismo, son reactivos sostenibles ambientalmente puesto que se descomponen en oxígeno y agua.

Por otro lado, del mismo modo se puede utilizar la oxidación fotocatalítica, la cual también se fundamenta en la destrucción de los contaminantes mediante el empleo de radiación ultravioleta. La principal variación viene dada por la utilización de catalizadores con el propósito de incrementar la formación de radicales hidroxilo, los cuales posteriormente oxidarán los contaminantes químicos. Los catalizadores pueden ser sales de hierro, generalmente cloruros, fluoruros y bromuros, o bien, en el caso de la fotocatálisis heterogénea, óxidos semiconductores: TiO2, Al2O3, ZnO, etc.

En el caso de la utilización del dióxido de titanio, aparte del importante efecto oxidante del radical OH•, se produce otro mecanismo de generación de radicales libres, el cual es clave para explicar su elevada eficacia. El TiO2 en medio acuoso y en presencia de radiación ultravioleta es capaz de excitarse, de forma que los electrones de la banda de valencia migran a la banda de conducción, dejando su correspondiente hueco en la banda de valencia. Así, se generan los denominados pares hueco-electrón (h+- e-). La energía necesaria para excitar el TiO2 es de 3,2V y en consecuencia sólo es capaz de absorber luz ultravioleta ( < 385 nm). Los pares hueco-electrón pueden recombinarse (y así anularse) o bien desplazarse a la superficie de catalizador. Para que no se recombinen los pares h+- e- es importante que exista un oxidante que actúe como aceptor de electrones. Generalmente este papel lo desempeña el oxígeno, produciéndose el ion superóxido (O2-•). Por otro lado, en los huecos se adsorben moléculas de agua, produciéndose radicales hidroxilo. También se puede producir la oxidación de una molécula orgánica (MO) adsorbida en los huecos mediante transferencia de electrones, tal y como se puede observar en la figura.

Así pues, el empleo del TiO2 es de las opciones más efectivas y ventajosas para la mineralización de la mayoría de las sustancias orgánicas mediante oxidación fotocatalítica.

La destrucción de contaminantes mediante fotooxidación plantea una serie de ventajas que están al alcance de muy pocas tecnologías:

  • Realmente destruye contaminantes tóxicos convirtiéndolos en sustancias inocuas (agua, CO2 y sales minerales).
  • El proceso no es selectivo y puede descomponer prácticamente cualquier molécula orgánica, incluidas muestras complejas.
  • No son necesarios procesos complementarios de pre o post-tratamiento.
  • El consumo energético es muy bajo, puesto que el proceso transcurre a temperaturas moderadas (30-80 ºC) y la fuente de radiación puede ser solar.
  • Los productos químicos utilizados son de relativo bajo coste y elevada disponibilidad.

Teniendo en cuenta estas ventajas, la fotooxidación es una técnica de tratamiento de efluentes y aguas de proceso de gran importancia para diferentes sectores como la industria química, alimentaria, farmacéutica, textil y galvánica entre otras, al ser capaz de eliminar especies como cianuro, aguas con Zn y Ni, antibióticos, hormonas, organoclorados, polifosfatados orgánicos, hetero-ciclo-alifáticos, nitrógeno orgánico y compuestos aromáticos y hetero-aromáticos entre otros.

fotooxidacion