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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.

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