Advanced oxidation processes (photocatalysis, photo-fenton and sonolysis) for removal of pharmaceutical pollutants in water

• Autores: Fabiola Méndez Arriaga
• Directores de la Tesis: Santiago Esplugas Vidal (dir. tes.), J. Giménez Farreras (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2009
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Enrique Brillas Coso (presid.), María Esther Chamarro Aguilera (secret.), Jean Marie Herrmann (voc.)
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Ingeniería y tecnología químicas
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• Resumen

  • El tema particular de esta tesis se centra en un grupo especial de compuestos químicos contaminantes recientemente encontrados en el agua: los productos farmacéuticos. La fotocatàlisis heterogénea con TiO2 se empleó para el estudio de la degradación de DCF, NPX e IBP. Los resultados indican que el DCF se degrada por fotolisis con lo cual se incrementa la degradación de DCF sólo a concentraciones bajas de catalizador. Las condiciones óptimas para la degradación de DCF mediante fotocatàlisis heterogéneas fueron entre 0.07-0.1 g/L de TiO2. La concentración de oxígeno no afecta la degradación de DCF. El DCF es degradado completamente (200 mg/L) con niveles de mineralización del 70%. Por otra parte la degradación de NPX es también fuertemente influido por la fotolisis. En presencia de catalizar, el NXP se degrada completamente con 26 % de mineralización en condiciones de saturación de oxígeno, 40ºC y 0.1 g/L de TiO2. En el caso del IBP, éste fue el compuesto de menor grado de mineralización registrando sólo un 17% en presencia de 1 g/L de catalizador. El IBP no es degradado por fotólisis, así que la vía de degradación principal se centra en el ataque del radical hidroxilo. La presencia de oxígeno (40 mg/L) o el incremento de temperatura no mejoran la degradación del compuesto. Con respecto a la degradación de IBP mediante la reacción de foto-Fenton se logró la eliminación completa del contaminante con una mineralización del 40%. Los efectos más importantes que contribuyeron en la degradación de IBP fueron la formación de complejos ferrosos y la característica secuestrante del radical hidroxilo que presenta el IBP. Ambas propiedades promovieron la decarboxilación e hidroxilación del compuesto en condiciones irradiadas. Con respecto a la aplicación de ondas ultrasonoras, se puede concluir que en 30 min de irradiación se logró la completa eliminación del compuesto mediante la aplicación de 80 W de potencia (300 kHz). La degradación del IBP se debió a su hidrofobicidad con lo que se tendió hacia la interface de la burbuja de cavitación donde los radicales hidroxilo están presentes en una mayor concentración. En ausencia de oxígeno, la degradación de IBP disminuye sin embargo en condiciones saturadas de oxígeno o aire la degradación no mejoró. Despuès de 120 min de radiación se observó un 6-8% de mineralización. Sin embargo, los subproductos de degradación son más biodegradables que el compuesto original. Por otra parte, el estudio de las estrategias para potenciar los procesos de oxidación avanzada mediante el uso de reactores solares que permitieran extender el tiempo de reacción sin costos adicionales energéticos-, y mediante procesos híbridos se centró en el caso de la degradación de IBP. Se comprobó que la estrategia de alargar los tiempos de experimentación utilizando una fuente solar para promover la reacción catalítica de tanto del TiO2 como del (Fe(II)) mostró grandes beneficios. 100% del compuesto fue eliminado con una mineralización de más del 90% en cuatro días de experimentación. Resultados similares se observaron en la reacción de Fenton en la cual el grado de mineralización por encima del 80% y en todos los casos una completa eliminación del compuesto particularmente en los casos donde TiO2, Fe(II) y sonolisis estaban presentes simultáneamente. En lo relativo a los compuestos intermedios de degradación cabe decir que, en el caso de NPX, la aplicación de la fotocatàlisis heterogénea promueve reacciones de polimerización así como la generación de compuestos volátiles. Sin embargo la toxicidad del efluente aumenta y su biodegradabilidad no se ve mejorada. En el caso del IBP, de forma similar los subproductos de degradación resultaron más tóxicos que el IBP original. Sin embargo, cabe mencionar que el efluente tratado en condiciones de saturación de oxígeno se observó que dichos compuestos disminuían la toxicidad en los momentos finales de la reacción. Esto es, la etapa de hidroxilación es rebasada y la degradación de dichos subproductos promueve la generación de compuestos menos tóxicos. De esta forma se concluye que la fotocatàlisis heterogénea, bajo las condiciones antes mencionadas, no representa una solución para la descontaminación de efluentes que contienen NPX. Sin embargo para el c aso de DCF o IBP, la habilidad de esta técnica muestra grandes posibilidades. Referente al IBP se cocluye que es eliminado mediante fotocatàlisis heterogénea especialmente en tiempos prolongados de exposición solar, siendo esta una alternativa viable técnicamente. De igual forma, la reacción del foto-Fenton es una técnica que se puede aplicar en el tratamiento de IBP. Sin embargo la optimización de ésta técnica debería tener en cuenta la màxima eliminación de H2O2 al final del tratamiento así como la mínima producción de sedimentos ferrosos que pueden contener IBP en forma de complejo. La aplicación de ultrasonidos como tratamiento principal de IBP se ve notablemente mejorada en presencia de catalizadores. Las técnicas hibridas son una buena alternativa pero son relativamente costosas y sofisticadas en su operación. Sin embargo para casos donde se persigan altos niveles de mineralización, en el caso concreto de IBP, se recomiendan ampliamente la sono-fotocatalisis, así como la fotosonolisis en presencia de TiO2 y Fe(II). A forma de recomendaciones para posteriores estudios se sugiere el desarrollo de los siguientes puntos: Optimización de las técnicas de oxidación avanzada para efluentes contaminados reales. Realización de un estudio económico sobre la aplicación de cada una de las AOP estudiadas y evaluación de viabilidad del empleo de energía solar. Desarrollo de modelos cinéticos que contribuyan a la evaluación del escalado de los reactores solares. Evaluación microtoxicologica y acople a reactores biológicos.