Operating strategies for the application of the photo-fenton process to remove persistent pollutants (estrategias de operación para la aplicación del proceso foto-fenton para eliminar contaminantes persistentes)
- Autores: Irene Carra
- Directores de la Tesis: José Antonio Sánchez Pérez (dir. tes.), Sixto Malato Rodríguez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2014
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Rafael van Grieken Salvador (presid.), José María Fernández Sevilla (secret.), José Alcides Silvestre Peres (voc.), Antonia Pilar Fernández Ibañez (voc.), Dionissios Mantzavinos (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
La presencia de contaminantes persistentes en sistemas acuosos ha impulsado a la comunidad científica a investigar en procesos avanzados de tratamiento de aguas para degradarlos. Las plantas de tratamiento de aguas residuales suelen estar tener sistemas biológicos como tratamiento secundario. Sin embargo, estos sistemas no son suficientes para eliminar contaminantes no biodegradables o en concentraciones muy bajas. Por tanto, son necesarios tratamientos más energéticos. Los Procesos de Oxidación Avanzada (PPOA) han surgido en las últimas décadas y se presentan como tratamientos efectivos en este sentido. Entre ellos, se ha demostrado que la fotocatálisis homogénea o proceso foto-Fenton es eficaz en la eliminación de contaminantes orgánicos. No obstante, su aplicación a escala comercial aún no se ha extendido.
En este trabajo se ha investigado la aplicación de distintas estrategias de operación para llevar a cabo el proceso de foto-Fenton solar. El estudio tiene dos partes: (i) la oxidación de contaminantes en el rango de mg/L (nivel intermedio de concentración); (ii) y en el intervalo de ¿g/L (microcontaminantes). Para concentración intermedia de contaminantes, la primera estrategia propuesta fue el uso los complejos de hierro para operar el proceso a pH natural. Esta estrategia se comparó con la adición de sal de hierro. Los resultados indicaron que la adición de sal de hierro era igual o mejor que el uso de los complejos de hierro elegidos. En base a estos resultados, se estudió la dosificación de sal de hierro en planta piloto, prestando especial atención a la concentración de hierro por dosis y al tiempo de adición.
Para el estudio de eliminación de microcontaminantes, también se aplicaron estrategias de dosificación secuencial y continua. Todas las estrategias para operar el proceso foto-Fenton a nivel de microcontaminantes se evaluaron utilizando una mezcla de plaguicidas detectados en el efluente de una industria agroalimentaria: acetamiprid, tiabendazol e imazalil, cada uno en una concentración de 100 ¿g/L. También se estudió la relación entre la concentración de hierro y la luz solar ultravioleta. Estos dos factores son variables clave en el diseño de fotorreactores y en su operación. La concentración de hierro se varió entre 1-20 mg/L y la radiación UV entre 5-30 W/m2. La experimentación se llevó a cabo en agua destilada y en agua simulada de efluente secundario y tanto a escala de laboratorio como en planta piloto. Los resultados indicaron que por encima de 15 WUV/m2 y para un paso óptico de 5 cm (el valor más común para este tipo de aplicación) la concentración de hierro limitaba el proceso y había exceso de radiación. Se concluyó que pasos ópticos mayores de 5 cm (típicos para CPC) son recomendables ya que se puede tratar más volumen de agua con mayor velocidad de proceso por unidad de superficie. Se propuso un modelo simplificado para corroborar la fenomenología estudiada.
Estas conclusiones llevaron a proponer a los reactores tipo raceway como tecnología para la aplicación de foto-Fenton solar como tratamiento terciario de agua urbana. Los reactores raceway son fotorreactores extensivos tradicionalmente aplicados para el cultivo de microalgas. Un reactor de 360 L se utilizó para estudiar la degradación de formulaciones comerciales de acetamiprid y tiabendazol (100 ¿g/L de cada uno) en agua de grifo y en agua simulada de efluente secundario. La concentración de hierro (1-10 mg/L) y la profundidad de líquido (5-15 cm) fueron las variables de proceso estudiadas. Se obtuvo una capacidad de tratamiento por área de superficie mayor que en CPC (48 mg/h¿m2 con 5.5 mg Fe/L y 15 cm de profundidad de líquido en comparación con 29 mg/h¿m2 para la misma concentración de hierro en un CPC), probando la viabilidad de utilizar reactores raceway para la eliminación de microcontaminantes. Los productos de transformación de tiabendazol y acetamiprid, los dos contaminantes más persistentes, se detectaron en colaboración con el grupo de investigación de Análisis Ambiental y Tratamiento de Agua en CIESOL, gracias al uso de tecnología de alta sensibilidad LC-QqLiT-MS/MS.
Con las estrategias estudiadas, la operación del proceso foto-Fenton también se estudió bajo luz artificial. En primer lugar, se utilizaron lámparas UVC de baja presión para comparar el proceso foto-Fenton con otros PPOA. Los resultados indicaron que foto-Fenton y UVC/persulfato fueron los PPOA más efectivos en agua real. En segundo lugar, se probaron diodos emisores de luz (LEDs, de sus siglas en inglés) como tecnología de bajo consumo para aplicaciones con foto-Fenton y mostrando las LEDs de alta intensidad como una tecnología nueva y prometedora para foto-Fenton con lámpara.
La mayor parte del trabajo presentada en esta tesis mostró que la operación eficiente de foto-Fenton solar es posible. Los resultados indicaron que la dosificación de hierro podría ser una estrategia efectiva para operar el proceso de foto-Fenton solar a pH natural para oxidar tanto mg/L o ¿g/L de contaminantes. A nivel de microcontaminantes, los requerimientos de irradiancia no son altos, así que fotorreactores extensivos y de bajo coste como los raceway puede ser utilizados. Presentan una alta capacidad de tratamiento y esto implica un acercamiento a la aplicación a escala comercial. Finalmente, foto-Fenton operado mediante lámparas también es prometedor gracias al uso de LEDs de alta intensidad.
