Evaluación de procesos de oxidación avanzados: foto-Fenton con luz solar para la degradación de sustancias y desechos líquidos tóxicos

Abstract

El tratamiento inadecuado de agua altamente contaminada o su eliminación directa de los sitios industriales, causan la propagación posterior de sustancias tóxicas en los cuerpos de agua, lo que tiene consecuencias negativas a largo plazo para la biota acuática. El camino hacia una gestión sostenible de las aguas residuales es utilizar las mejores técnicas disponibles, que consisten en proporcionar la más alta calidad de agua tratada y la eficacia en costos del proceso utilizado. Por lo tanto, hoy en día es de gran importancia el desarrollo de nuevas tecnologías avanzadas de tratamiento de aguas residuales. Los procesos avanzados de oxidación (POA) son métodos eficientes de tratamiento de aguas residuales destinados a degradar químicamente contaminantes orgánicos mediante la generación de especies oxidativas, es decir, radicales hidroxilos (HO•). Entre ellos, el proceso Fenton merece una atención especial ya que su aplicación en el tratamiento de aguas residuales es considerada como una forma potencialmente conveniente y económica de generar HO•. Esta investigación se refiere a la aplicación del tratamiento foto-Fenton solar, como alternativa de tratamiento de ciertos desechos y sustancias peligrosas y optimizar las condiciones de reacción según el método de diseño experimental. El diseño factorial junto con una metodología de superficie de respuesta (MSR) aplicada al sistema de estudio fue una valiosa herramienta para evaluar la influencia de diversos parámetros de reacción con el fin de optimizar el rendimiento general del proceso. Debido a la alta demanda en el oxidante, la optimización de las condiciones de oxidación es esencial para la viabilidad económica de tal proceso. Un objetivo de esta tesis es el desarrollo de catalizadores Fenton heterogéneos activos bajo luz solar, ya que se pueden superar las limitaciones debidas al uso de catalizadores homogéneos, como es la producción de lodo con contenido de hierro. Los procesos foto-Fenton como tecnología que utiliza los fotones emitidos por una fuente de luz para facilitar la generación de los radicales HO•, serán procesos más compatibles con el medio ambiente y menos costosos para la descontaminación de productos químicos si la fuente de luz es natural, es decir, luz solar. En primer lugar, se llevó a cabo un estudio detallado de la degradación foto-Fenton homogénea de un desecho real procedente de un laboratorio químico que contenía una alta demanda química de oxígeno (DQO) de 67000 mg/L bajo luz solar en un fotorreactor. Los desechos reales seleccionadas contenían una mezcla de fenoles, nitrofenoles y ácidos minerales. El objetivo de este estudio fue conocer la influencia de las principales variables operativas (concentración de hierro y concentración de peróxido de hidrógeno) involucradas en el proceso foto-Fenton en la eficiencia de degradación. La condición óptima para eliminar el 97% de DQO fue 9 g/L de Fe (II) y 220,7 g/L de H2O2. La medición del pH resultó ser útil debido a su importancia intrínseca en el proceso. Además, se observaron cambios en el pH durante el tratamiento, que estaban relacionados con la transformación química de los contaminantes, como fue la acidificación por la formación de ácidos carboxílicos de baja masa molecular. El segundo objetivo de esta tesis fue el desarrollo de catalizadores foto-Fenton heterogéneos. Para lograr este objetivo, se prepararon algunos catalizadores provenientes de óxidos mixtos derivados de hidrotalcitas por el método de coprecipitación y se estudió la capacidad de los catalizadores para degradar contaminantes orgánicos modelos. El fenol y el nitrofenol fueron elegidos como contaminantes modelos por ser compuestos orgánicos persistentes, comúnmente presentes en efluentes industriales (por ejemplo, de las industrias petroquímica, química y farmacéutica). La hidrotalcita y los óxidos mixtos se caracterizaron por una serie de métodos, incluyendo difracción de rayos X, análisis termogravimétrico, análisis de adsorción de nitrógeno, espectroscopia FTIR, espectroscopia de reflectancia difusa, entre otros, para correlacionarlos con el comportamiento catalítico. El óxido de MgAlFe se presenta altamente activo para la degradación de fenol y nitrofenol. Finalmente, se probó el óxido MgAlFe en la degradación del desecho real y se comparó con el proceso homogéneo. Los efectos de las variables: concentración de catalizador y concentración de peróxido de hidrógeno (H2O2) fueron estudiadas aplicando un diseño multinivel factorial. La degradación fue seguida en términos de DQO. Las mejores condiciones de reacción fueron: 90 g/L de H2O2, 8 g/L de catalizador y 4 h de reacción. En estas condiciones, la reducción de la DQO fue de 86%, evidenciando que el proceso foto-Fenton heterogéneo es apropiado para el tratamiento de un desecho real.