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Sistemas con reactores aeróbicos para tratar aguas residuales

Los tratamientos biológicos de aguas residuales (reactores aeróbicos y anaeróbicos) aprovechan la capacidad de determinados microorganismos (entre los que destacan las bacterias) de asimilar la materia orgánica y los nutrientes disueltos en el agua residual a tratar para su propio crecimiento, llevando a cabo la eliminación de componentes solubles en el agua. La materia orgánica soluble es asimilada por los microorganismos como fuente de carbono. Tras esta operación se separa por decantación la biomasa generada del sobrenadante. Para el crecimiento de los microorganismos es necesario, aparte de la materia orgánica, la presencia de nitrógeno y fósforo en el efluente. Si su concentración no es suficiente, se deberán aportar al tratamiento.

La aplicación tradicional consiste en la eliminación de materia orgánica biodegradable, tanto soluble como coloidal, así como la eliminación de compuestos que contienen nitrógeno y fósforo. Es uno de los tratamientos más habituales, no solo en el caso de aguas residuales urbanas, sino en buena parte de las aguas industriales, por su sencillez y su bajo coste económico de operación.

Los únicos requisitos para la aplicación satisfactoria de estas tecnologías son que la contaminación sea biodegradable y que no haya presencia de ningún compuesto biocida en el efluente a tratar.

Los microorganismos pueden asimilar la materia orgánica consumiendo oxigeno, o bien en completa ausencia de éste, lo que nos lleva a disponer de 2 sistemas de tratamiento biológico de aguas residuales:

La selección del tipo de proceso biológico más conveniente se debe analizar caso a caso en función de las características del efluente a tratar.

SISTEMAS MEDIANTE REACTORES AERÓBICOS

Los sistemas aérobicos de tratamiento de aguas residuales, aprovechan la capacidad de los microorganismos de asimilar materia orgánica y nutrientes (nitrógeno y fósforo) disueltos en el agua residual para su propio crecimiento, en presencia de oxígeno, que actuará como aceptor de electrones en el proceso de oxidación de la materia orgánica.

Esta particularidad conlleva unos rendimientos energéticos elevados y una importante generación de fangos, consecuencia del alto crecimiento de las bacterias en condiciones aeróbicas.

etapas de los sistemas aeróbicos

ETAPAS DE LOS TRATAMIENTOS CON REACTORES AERÓBICOS

Un sistema de tratamiento aeróbico se compone de las siguientes etapas:

1. Pretratamiento: En esta etapa se procede a la eliminación de los sólidos de gran tamaño que llegan a la planta de tratamiento de agua. Estos materiales, si no son eliminados eficazmente, pueden producir serias averías en los equipos. Las piedras, arena, latas, etc. producen desgaste de las tuberías y de las conducciones así como de las bombas. Los aceites y grasas que puedan llegar también son eliminados en esta etapa con el fin de evitar que el tratamiento biológico se ralentice, su rendimiento disminuya así como la calidad del efluente. Se emplean para ello tanto operaciones físicas como mecánicas. Las principales operaciones que pueden emplearse en función de la procedencia del agua residual a tratar, de su calidad o de los tratamientos posteriores son:

  • Separación de grandes sólidos: siempre que las aguas a tratar puedan contener sólidos de gran tamaño se emplea este sistema que consiste en un pozo situado a la entrada del colector que permita concentrar los sólidos y las arenas decantadas en una zona especifica donde se puedan extraer de una forma eficaz.
  • Desbaste: Esta operación evita obstrucciones de partes posteriores de la instalación por la llegada masiva de grandes sólidos. Consiste en el uso de rejas con distintas separaciones entre barrotes que permiten separar los sólidos según su tamaño.
  • Tamizado: Esta operación está indicada cuando las aguas residuales contiene grandes cantidades de sólidos flotantes o residuos. Se emplean tamices de distinto grosor.
  • Desarenado: permite eliminar partículas sólidas superiores a 200 micras que puedan ocasionar problemas de taponación de conducciones o bombas o abrasiones en los distintos equipos.
  • Desaceitado-desengrasado: Permite es eliminar grasas, aceites, espumas y demás materiales flotantes más ligeros que el agua, que puedan distorsionar los procesos de tratamiento posteriores. Se efectúan normalmente por insuflación de aire con el fin de desemulsionar y aumentar la flotación de las grasa.

2. Tratamiento Primario: En esta etapa del tratamiento se eliminan los sólidos en suspensión de las aguas a tratar empleándose para ello, distintos procesos físico-químicos Estos sólidos pueden ser: sedimentables, flotantes o coloidales.

  • Sedimentación: Separación por gravedad que permite que las partículas más densas que el agua se depositen en el fondo del sedimentador. Será más eficaz cuanto mayor sea el tamaño y la densidad de las partículas a separar del agua, es decir, cuanto mayor sea su velocidad de sedimentación, siendo el principal parámetro de diseño para estos equipos. A esta operación de sedimentación se le suele denominar también decantación. La decantación primaria permite eliminar los sólidos en suspensión (60%, aprox) y la materia orgánica (30%, aprox) y protege los procesos posteriores de oxidación biológica de la intrusión de fangos inertes de densidad elevada. Pueden emplearse sedimentadores rectangulares, circulares y lamelares.
  • Flotación: Se fundamenta en la diferencia de densidades y permite separa la materia sólida o líquida de menor densidad que la del fluido que asciende a la superficie. Se utiliza aire como agente de flotación, y en función de cómo se introduzca en el líquido, se tienen dos sistemas de flotación: Flotación por aire disuelto (DAF) en el que el aire se introduce en el agua residual bajo una presión de varias atmósferas y Flotación por aire inducido donde la generación de burbujas se realiza a través de difusores.
  • Coagulación – Floculación: si hay presencia de partículas de tamaño muy reducido se forman suspensiones coloidales, de gran estabilidad debido a las interacciones eléctricas entre las mismas, con una lenta velocidad de sedimentación. Así, para mejorar su eliminación, se añaden reactivos químicos que desestabilizan la suspensión coloidal (coagulación) y favorecen la floculación de las mismas para obtener partículas fácilmente sedimentables. Los coagulantes suelen ser productos químicos que en solución aportan carga eléctrica contraria a la del coloide.
  • Filtración: La filtración es una operación en la que se hace pasar el agua a través de un medio poroso, con el objetivo de retener la mayor cantidad posible de materia en suspensión. El medio poroso tradicionalmente utilizado es un lecho de arena, de altura variable.

3. Tratamiento secundario: Los tratamientos secundarios se fundamentan en procesos biológicos en los que se emplean microorganismos (entre las que destacan las bacterias) para llevar a cabo la eliminación de materia orgánica biodegradable, tanto coloidal como disuelta, así como la eliminación de compuestos que contienen elementos nutrientes (N y P). En la mayor parte de los casos, la materia orgánica es oxidada por los microorganismos que la usan como fuente de energía para su crecimiento.  Los procesos aerobios se basan en la eliminación de los contaminantes orgánicos por su transformación en biomasa bacteriana con la ayuda de oxígeno (que actuará como aceptor de electrones en el proceso de oxidación), CO2 y H2O.

  • Digestión: En los sistemas aeróbicos el agua residual pasa a un reactor-digestor aeróbico, donde se encuentran los microorganismos responsables de oxidar la materia orgánica disuelta, empleando para ello un flujo de oxígeno.
  • Decantación: la separación de los lodos formados se produce por gravedad en los sedimentadores secundarios.

4. Tratamiento Terciario: en función de la calidad del efluente obtenido, del destino final del mismo y de la legislación vinculada en cada caso, se aplica un tratamiento terciario al mismo, con el fin de eliminar la carga orgánica residual y aquellas otras sustancias contaminantes no eliminadas en los tratamientos secundarios, como por ejemplo, los nutrientes, fósforo y nitrógeno. Puede usarse cualquier combinación de proceso, desde tratamientos físicos, químicos o biológicos. Generalmente serán:

  • Procesos de filtración: microfiltración, ultrafiltración
  • Intercambio iónico
  • Ósmosis inversa
  • Adsorción
  • Membrana
  • Desinfección: La desinfección consiste en eliminar o inactivar los microorganismos patógenos o cualquier otro microorganismo vivo con el fin de asegurar la reutilización del agua tratada. Los principales procesos de desinfección son:
    • Cloración
    • Ozonización
    • Electrodesinfección

CLASIFICACIÓN DE LOS REACTORES AERÓBICOS

En función del sistema empleado para el crecimiento de la biomasa, los sistemas de tratamiento aeróbico se clasifican en:

1. Biomasa en Suspensión (lodos activados): la biomasa crece libre o en suspensión en el interior del biorreactor, produciendo la formación de flóculos.

  • Proceso convencional.
  • Reactores secuenciales (SBR): Este tipo de reactor opera en discontinuo y se dan todos los procesos en el mismo tanque de forma secuencial en el tiempo. Es una buena alternativa para aquellas industrias que producen pequeños efluentes pero con una elevada variabilidad en cuanto a sus características.reactores anaeróbicos secuenciales SBR
  • Reactores de Biomembrana (MBR): Este reactor es similar al de fangos activos con la singularidad de que dispone de un módulo de membranas de ultrafiltración en su interior. Este módulo permite la separación del fango y el líquido mediante membranas, obteniendo importantes ventajas en relación a los tradicionales decantadores secundarios. Es una alternativa para aquellos casos en los que se dispone de poco espacio.Reactores de biomembrana MBR
  • BIOCARB®: Es un modelo exclusivo patentado por Condorchem Envitech y se basa en el desarrollo de un reactor aeróbico de lecho fijo cuyo material de relleno es carbón lignítico granulado. El carbón filtra, adsorbe y hace de soporte para la biopelícula, además de alimentar a los microorganismos de minerales y elementos traza. Por otro lado, el proceso de adsorción realiza una doble contribución al proceso al laminar los picos de carga de contaminantes y al hacer que el tiempo de residencia de los contaminantes en el interior del reactor aumente con lo que es posible la degradación de compuestos orgánicos persistentes. El reactor BioCarb® se ha demostrado especialmente efectivo en el tratamiento de contaminantes difíciles de biodegradar y con color. Además, la inmovilización de la biomasa en la superficie del carbón lignítico permite realizar en una sola etapa un tratamiento biológico y fisicoquímico de las aguas residuales.

Depuradoras biológicas biocarb

2. Biomasa Fija: la biomasa crece adherida a un soporte que puede ser natural o artificial, formando una lama o película.

  • Biodiscos: conjunto de discos de un material determinado (madera, polietileno corrugado, poliestireno corrugado, pvc) que giran en torno a un eje horizontal, situados dentro en el reactor. Sobre este soporte se desarrolla gradualmente una película de biomasa bacteriana, que emplea como sustrato para su metabolismo la materia orgánica soluble presente en el agua residual. Cuando la superficie del disco se encuentra en contacto con el aire, la biomasa adherida al disco toma el oxígeno necesario para que durante el período de inmersión se produzca la degradación de la materia orgánica presente en el agua residual.Biodiscos
  • Biofiltros: El aire es aspirado cerca del foco de emanación y habitualmente guiado a una cámara de acondicionamiento. Aquí es saturado de humedad y luego guiado a un lecho de biomasa fijada. Las sustancias contaminantes se absorben a la biopelícula de biomasa formada sobre el relleno y aquí posteriormente son digeridos por microorganismos. En el proceso de digestión y metabolización son transformados en compuestos que ya no huelen.
  • Filtros percoladores: Se “deja caer” o rocía agua de desecho decantada sobre el filtro. Al migrar el agua por los poros del filtro, la materia orgánica se degrada por la biomasa que cubre el material del filtro.Filtros percoladores
  • Filtros de lecho móvil (MBBR)El cultivo bacteriano encargado de la depuración se encuentra en forma de biopelícula adherido a soportes de alta superficie específica (relleno filtrante). Estos soportes se encuentran sumergidos y en movimiento en el reactor biológico.

Filtros de lecho móvil

La selección de un proceso biológico de biomasa fija o biomasa en suspensión de más conveniente sólo se puede hacer después de analizar las características del efluente, el tipo de proceso industrial que lo genera, el grado de depuración requerido y las necesidades globales del usuario:

biomasa fija vs biomasa en suspensión

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE SISTEMAS AERÓBICOS FRENTE A ANAERÓBICOS: CRITERIOS BÁSICOS PARA SU SELECCIÓN

Los criterios que ayudan a seleccionar si es más conveniente un proceso aerobio, o bien si un proceso anaerobio será mayor provechoso, son la concentración de materia orgánica a eliminar, si es necesaria la eliminación de nitrógeno, la disponibilidad de espacio físico y la relación entre el OPEX y el CAPEX del proyecto. En la siguiente tabla se puede observar cómo en función de estos criterios, qué tipo de proceso (aerobio o anaerobio) es más conveniente:

sistemas aeróbicos vs sistemas anaeróbicos

Ventajas:

  • Permite tratar una gran variedad de aguas residuales: los dos requisitos que deben cumplir es que sean biodegradables.
  • La digestión aerobia nos proporciona un mayor rendimiento. Y = 0,4 lo que quiere decir que de 1 gramo de materia orgánica se sacan 0,4 gramos de biomasa.
  • Facilidad de operación.
  • CAPEX bajos.
  • Minimiza la producción de olores.
  • Reduce los coliformes y organismos patógenos, así como las grasas.
  • Produce sobrenadante clarificado.
  • Pueden emplearse una mayor número de tipos de bacterias para la digestión.
  • Reduce la tasa de respiración de los lodos.

Desventajas:

  • OPEX elevados debido al gasto energético continuado asociado a la aireación.
  • Muchos parámetros a controlar para que los resultados sean óptimos: pH, Temperatura, % Materia Orgánica, Caudal de entrada, % tóxicos (biocidas).
  • En una parada por mantenimiento o avería los costes aumentan frente a la necesidad de mantener los niveles de Materia Orgánica necesaria para la supervivencia de los microorganismos.

LODOS GENERADOS: EL RETO DE LOS SISTEMAS AERÓBICOS

Uno de los mayores retos de los sistemas aeróbicos, es la gestión de los lodos generados. En el siguiente esquema se puede ver de forma general la gestión de los mismos, en función del contenido de los mismos. Cabe destacar que actualmente en muchos casos y siempre que sea posible, tras el tratamiento aeróbico se aplica un tratamiento anaeróbico para la gestión de los lodos.

tratamientos de lodos de reactores aeróbicos

Tecnologías para la conservación de los océanos

conservación de los oceanosLa conservación de los océanos es a día de hoy una de las principales preocupaciones a nivel medioambiental, ya que los ecosistemas oceánicos se han visto afectados y alterados por la intervención del hombre. Los estudios demuestran que la degradación de estos ecosistemas, especialmente en las zonas costeras, se ha incrementado considerablemente en la segunda mitad del siglo XX y en el siglo XXI como consecuencia de la escorrentía de las ciudades costeras, de los vertidos industriales y de las explotaciones agrícolas y ganaderas.

La contaminación de los ecosistemas oceánicos apareció de la mano del vertido directo de las aguas residuales, domésticas e industriales, sin tratamiento alguno. A medida que en algunas zonas se han dotado de plantas urbanas de depuración, se ha desplazado la contaminación orgánica y de nutrientes por microcontaminantes (también llamados contaminantes emergentes). Éstos, que se caracterizan por encontrarse en concentraciones muy bajas (g/L, ng/L e incluso pg/L) –ultratrazas– son muy peligrosos para el medio ambiente por su naturaleza tóxica, persistente y bioacumulativa. El origen de estos contaminantes es variado, procedente de: explotaciones agropecuarias (herbicidas, plaguicidas, fertilizantes, etc.), de origen urbano (productos farmacéuticos, higiene y cuidado personal) y de origen industrial (agentes de limpieza, disolventes, desengrasantes, conservantes, pigmentos, etc.). Concretamente, en el caso de los compuestos farmacéuticos, el hecho de que hayan sido formulados para actuar sobre los organismos vivos, es de prever que su introducción en los ecosistemas produzca alteraciones y efectos a medio y largo plazo. En la tabla I se resumen microcontaminantes frecuentemente encontrados en el medio ambiente clasificados en grupos en función de su utilización. El número de microcontaminantes diferentes identificados no cesa de crecer y el registro que se ha elaborado en la Unión Europea contiene ya más de 10.000 entradas, siendo los de la tabla I los más conocidos.

Las repercusiones de los microcontaminantes sobre los ecosistemas marinos son extensas y variadas. Un gran número de estas sustancias son responsables de mutaciones genéticas en especies de aves marinas y de peces, de tumores y lesiones en peces y de feminización y problemas de crecimiento y fertilidad de varios tipos de organismos.

El hecho de que las actuales plantas de tratamiento de aguas residuales no están diseñadas para eliminar los microcontaminantes constituye uno de los problemas más importantes planteados por estas sustancias; el objetivo de los procesos de depuración de las aguas residuales se centra en la eliminación de la materia orgánica y de los nutrientes, que se encuentran en concentraciones mucho mayores. Por esta razón se ha constatado que es totalmente necesario el tratamiento de los efluentes que actualmente se vierten a los mares y océanos mediante técnicas que sean capaces de eliminar los microcontaminantes de forma eficaz.

No todas las técnicas de conservación de los océanos se pueden utilizar de forma satisfactoria para la eliminación de los microcontaminantes. Entre todos los procesos de tratamiento, las técnicas que presentan una mayor efectividad en la eliminación de este tipo de contaminantes son:

  • Operaciones basadas en el uso de membranas (ultrafiltración y nanofiltración)
  • Procesos avanzados de oxidación (ozonización y oxidación catalítica)
  • Adsorción (mediante carbón activo granular y en polvo)

Condorchem Envitech es una ingeniería especializada en la implantación llaves en mano de procesos de tratamiento basados en estas tecnologías y que lleva una larga trayectoria trabajando en beneficio del medio ambiente en proyectos a nivel mundial.

contaminantes de los oceanos

Tabla: Microcontaminantes frecuentemente encontrados en el 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

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