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  • XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniera Sanitaria y Ambiental

    Cancn, Mxico, 27 al 31 de octubre, 2002

    TRATAMIENTO DE AGUA RESIDUAL PROVENIENTE DE LA INDUSTRIA TEXTIL MEDIANTE FOTOCATLISIS SOLAR.

    Juan Matas Chacn Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua Ma. Teresa Leal Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua Manuel Snchez Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua Erick R. Bandala*

    Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua. Ingeniero Qumico. Maestro en Qumica Orgnica. Investigador del Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua desde 1993. Profesor de la Divisin de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniera de la UNAM. Es autor de 17 publicaciones internacionales, 6 publicaciones nacionales, 2 captulos en libro y ms de 20 informes tcnicos de investigacin, dirigido 6 tesis de licenciatura y 3 de maestra. Direccin del autor principal (*): Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua. Paseo Cuauhnhuac 8532. Jiutepec, Morelos. 62550 Mxico. Tel/Fax: +52 7773194281, e-mail: [email protected] RESUMEN Se llev a cabo la remocin de color en el efluente de una empresa textil mediante fotocatlisis solar. Se probaron dos diferentes procesos fotocatalticos: homogneo y heterogneo. Se determin que el proceso homogneo (foto-Fenton) es ms eficiente que el proceso heterogneo (TiO2/UV) en la eliminacin del contaminante. Se determin la influencia que tiene la concentracin de catalizador sobre el proceso de fotocatlisis homognea y que a mayor concentracin de ste mayor es la velocidad de la reaccin de degradacin. Los resultados obtenidos concuerdan con los reportados por otros autores para la degradacin fotocataltica de otros colorantes en agua residual. Palabras clave: Fotocatlisis, foto-Fenton, Radiacin solar, degradacin de colorantes INTRODUCCIN El proceso de elaboracin de productos textiles consiste en un gran nmero de operaciones unitarias que utilizan diversas materias primas como algodn, lana, fibras sintticas o mezclas de ellas. El impacto ambiental de sus efluentes lquidos es muy variado, por la gran variedad de materias primas, reactivos y de mtodos de produccin (Mansilla et al., 2001). En general, las corrientes de agua de descarga provienen principalmente del desgomado (15 %), descrude y macerado (20 %) y del blanqueo, teido y lavado (65 %). La cantidad de agua empleada en los procesos textiles vara en forma considerable dependiendo del proceso especfico y del equipamiento de la planta. En promedio se han reportado entre 125 y 170 litros de agua por kilogramo de producto (USEPA, 1997). Una fraccin importante de los contaminantes liberados al ambiente en los efluentes de este giro industrial son los residuos de colorantes. Por lo regular los colorantes textiles tienen gran persistencia en el ambiente y los mtodos de tratamiento clsicos no son tiles en su remocin debido a que oxidaciones o reducciones parciales pueden generar productos secundarios altamente txicos (Mansilla et al., 2001).

  • Una gran proporcin de los colorantes no son txicos a los organismos vivos. Sin embargo, la fuerte coloracin que imparte a los cuerpos de descarga puede llegar a suprimir los procesos fotosintticos en corrientes de agua, por lo que su presencia debe ser controlada. En general, las molculas de los colorantes utilizados en la actualidad son estructuras muy variadas y complejas. La mayora son de origen sinttico, muy solubles en agua, altamente resistentes a la accin de agentes qumicos y poco biodegradables. Sus estructuras frecuentemente contienen grupos azo, antraquinona o ftalocianina. Dadas sus caractersticas de solubilidad y estabilidad, los mtodos tradicionales de floculacin, sedimentacin o adsorcin no son tiles en la remocin de estos compuestos (Rodrguez et al., 2002). Para la degradacin de los colorantes se han utilizado hasta la fecha diferentes procesos avanzados de oxidacin: O3/UV, H2O2/UV y fotocatlisis heterognea as como tratamientos combinados de fotocatlisis y oxidacin electroltica (Mansilla et al., 2001). En muchos de los casos, la aplicacin de algunas de estas metodologas han resultado en la exitosa disminucin de la concentracin de colorante en los efluentes tratados (Kang et al., 1998). A pesar de los buenos resultados obtenidos al utilizar estas metodologas, se han determinado algunos inconvenientes en las mismas. Por ejemplo, el uso de partculas de semiconductor en suspensin, requiere de una etapa adicional de separacin del catalizador, de igual forma la utilizacin de fuentes artificiales de radiacin ultravioleta (UV) puede ser un obstculo para el escalamiento de la tecnologa ya que eleva los costos de cada tratamiento. Una alternativa interesante es el empleo de la radiacin solar como fuente de energa en estos procesos. Hasta la fecha existen relativamente pocos trabajos sobre la aplicacin de la energa solar a procesos avanzados de oxidacin para el tratamiento de colorantes de la industria textil. El objetivo de este trabajo es presentar los resultados obtenidos en el uso de energa solar como fuente de radiacin aplicados a procesos avanzados de oxidacin en el tratamiento de agua residual de la industria textil para la remocin de colorante. METODOLOGA EMPLEADA Se prepar agua sinttica con el colorante naranja cido 24 a una concentracin similar a la determinada en el efluente de una planta textil local. El colorante utilizado en este estudio fue proporcionado por una empresa textil y es el empleado en el proceso de produccin. Los estudios de fotocatlisis fueron llevados a cabo a escala banco en un concentrador de canal parablico compuesto (CPC) con capacidad para concentrar 3 veces la radiacin proveniente del sol. La figura 1 muestra una vista esquematizada del colector empleado. Dos diferentes procesos avanzados de oxidacin fueron probados: fotocatlisis heterognea y fotocatlisis homognea (foto-Fenton). Inicialmente, se llev a cabo un experimento con el fin de determinar cual de las dos metodologas podra ser ms adecuada para el tratamiento del efluente. En este caso, para el proceso mediante fotocatlisis heterognea, a 10 litros de agua con naranja cido 24 a una concentracin de 200 mg/L se agreg dixido de titanio (TiO2, 0.5 g/L aproximadamente) y la suspensin se recircul en el concentrador solar durante 6 horas. Se obtuvieron muestras cada hora de la mezcla de reaccin.

  • Figura 1. Representacin esquemtica del concentrador CPC utilizado en el presente estudio.

    Para determinar la concentracin de colorante en la muestra, sta fue filtrada a travs de una membrana Millipore de 0.22 m para eliminar el catalizador. Posteriormente, el filtrado se analiz mediante espectrofotometra UV/Vis a 444 nm. Para el proceso foto-Fenton, a un volumen similar de agua con colorante a la misma concentracin se agregaron 200 mg/L de sulfato ferroso y 1 g/L de perxido de hidrgeno. La mezcla de reaccin se recircul en el concentrador solar durante 1 hora. Se obtuvieron muestras cada tres minutos, mismas que fueron utilizadas para determinar la evolucin de la concentracin del colorante por espectroscopa UV/Vis. Una vez determinado el proceso foto-Fenton como el ms apropiado para la degradacin del colorante, se decidi probar la influencia de la concentracin de Fe(II) sobre la velocidad de la degradacin. Con este fin se realizaron tres experiencias adicionales en cada una de las cuales a un volumen similar de disolucin de colorante a la misma concentracin que los experimentos iniciales (200 mg/L) se agreg Fe (II) a diferente concentracin (10, 20 y 30 mg/L), manteniendo constante la concentracin de perxido de hidrgeno (100 mg/L). En cada experimento la mezcla fue recirculada a travs del sistema de coleccin solar durante una hora. Se tomaron muestras cada diez minutos a lo largo de las corridas experimentales con el fin de conocer mayor detalle del comportamiento del proceso. Una vez colectada la muestra, sta fue procesada

    BOMBA

    AGITADORCOMPUTADORA

    TANQUE

    REACTORRADIACION SOLAR

    PYRANOMETRO

    COLECTOR

    REACTOR

  • inmediatamente para evitar la continuacin del proceso de degradacin por otros medios diferentes al proceso foto-Fenton. En las muestras generadas se determin la absorcin del colorante mediante espectrofotometra UV/Vis a 444 nm. RESULTADOS La figura 2 muestra los resultados de la comparacin entre los dos procesos de degradacin descritos antes. Como se observa, en la figura 2 se despliega el comportamiento de la concentracin de colorante como funcin del tiempo de irradiacin. Es notorio que la degradacin del colorante transcurri ms lentamente durante el proceso utilizando TiO2 como catalizador. En este caso, despus de 360 minutos la disminucin en la concentracin de colorante fue de apenas 6%. Por el contrario, bajo condiciones foto-Fenton la reaccin de degradacin se verific mucho ms rpidamente. En este caso, a las condiciones de trabajo utilizadas, fueron necesarios apenas 18 minutos para conseguir la remocin de ms del 95% del colorante. Adicionalmente, el proceso de fotocatlisis homognea mostr ventajas adicionales respecto al proceso heterogneo como la posibilidad de recuperacin del Fe(III) depositado al final de las corridas experimentales, no fue necesario remover las partculas de semiconductor como en el caso del proceso heterogneo y no se observ adsorcin del colorante en el catalizador como en el caso de la utilizacin de TiO2.

    Figura 2. Evolucin de la concentracin del colorante en funcin del tiempo de irradiacin en los experimentos iniciales de comparacin entre los dos procesos degradativos.

    Estos resultados concuerdan con los reportados previamente en la literatura (Akmehmet, 1999) donde se consigna la mayor eficiencia del proceso fototocatalcio en fase homognea para la degradacin de colorantes en efluentes de la industria textil. La degradacin de mezclas de colorantes comerciales por medio del proceso foto-Fenton procede entre 6 y 44 veces ms rpido que el proceso con TiO2.

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    TiO2

    tiempo (min)

    FeSO4

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  • Considerando estos resultados preliminares se decidi continuar probando la eficiencia del proceso homogneo en la remocin del colorante. Con este propsito, puesto que el Fe(II) es el reactivo de mayor costo, se decidi probar varias concentraciones de ste manteniendo constante la cantidad de perxido de hidrgeno agregada al sistema. Los resultados de estas pruebas se muestran en la figura 3. Como se observa, el aumento de la concentacin de Fe(II) genera aumento de la velocidad de degradacin en los primeros minutos de irradiacin. De esta manera, al pasar de una concentracin de 10 a 20 mg/L de catalizador, la velocidad de la reaccin aumenta considerablemente. En el primer caso, la degradacin de colorante alcanza apenas alrededor del 10% despus de 65 minutos de irradiacin, mientras que cuando se agregan 20 mg/L de Fe (II) se consigui degradar ms del 90% del contaminante en 35 minutos de irradiacin. Al incrementar la concentracin de catalizador a 30 mg/L se observ una disminucin de la velocidad de la reaccin, en este caso la mxima remocin determinada fue de alrededor del 85%.

    Figura 3. Comportamiento de la concentracin de colorante como funcin del tiempo de irradiacin para tres diferentes concentraciones de Fe(III) (10, 20 y 30 mg/L) y una concentracin de H2O2 (100 mg/L).

    Estos resultados son comparables a los reportados en trabajos previos para la degradacin de otros colorantes utilizando el proceso foto-Fenton. En estos trabajos previos se ha determinado la degradacin de hasta el 97% de una mezcla de colorantes en 60 minutos de irradiacin utilizando concentraciones de catalizador entre 0.04 y 5 mM (Akmehmet et al., 1999). Kang et al., (1998) reporta la remocin del 90% del colorante en 120 minutos de irradiacin as como un gran efecto de la concentracin de fierro sobre la velocidad de la degradacin. Otros autores (Akmehmet, 1999) reportan la degradacin del 80% del colorante en 120 minutos de irradiacin utilizando condiciones similares de concentracin de Fe(II) y perxido de hidrgeno a las utilizadas en este trabajo. Es importante sealar que en los experimentos con las concentraciones ms altas de catalizador, en ambos casos se observa una disminucin importante de la concentracin de colorante en los primeros minutos de irradiacin y que despus de un determinado tiempo, despus de haber alcanzado un valor mximo, ya no se

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  • observa disminucin posterior de la concentracin. En el caso del experimento con 20 mg/L de catalizador este valor mximo se consigue alrededor de los 35 minutos de irradiacin y el valor de la concentracin no varia en los siguientes 30 minutos. Mientras que en el experimento con 30 mg/L de Fe(II), el mximo de degradacin se observ a los 25 minutos y la concentracin se mantuvo sin variacin los 40 minutos restantes. Este comportamiento podra ser debido al agotamiento del perxido de hidrgeno presente en la mezcla de reaccin o a la forma en que ste fue adicionado al reactor. En la primera suposicin resulta claro que una vez que todo el perxido de hidrgeno ha reaccionado, el proceso foto-Fenton se detendr no importa que la mezcla de reaccin se mantenga en irradiacin por lo que la concentracin del contaminante se mantendr constante una vez que todo el reactivo se ha consumido. En el segundo caso, el cual est relacionado al primero, se considera que este comportamiento cambiara si el perxido de hidrgeno se agrega continuamente a flujo constante durante todo el tiempo de experimentacin y no solamente al inicio, como fue el caso de los experimentos realizados. Resultados similares a los antes descritos han sido reportados por Kang et al., (1998) quienes determinaron que el aumento de la concentracin de catalizador aumenta la velocidad de la reaccin as como el porcentaje de remocin. Por el contrario, estos autores encontraron que la concentracin de H2O2 no causa ningn efecto sobre estos dos parmetros pero s la manera en que este reactivo es agregado a la mezcla de reaccin. CONCLUSIONES La fotocatlisis heterognea, a pesar de estar identificada como una tecnologa de mucho potencial en el tratamiento de aguas residuales, no fue capaz de degradar al colorante ms all de un 20 %, lo cual es insuficiente para las necesidades de las industrias textiles. Por otro lado, el proceso conocido como foto-Fenton mostr resultados muy superiores con degradacin de 90 % bajo las mismas condiciones. Se determin la influencia que tiene la concentracin del catalizador sobre la velocidad de la reaccin de degradacin. La tendencia mostrada por los resultados es que a mayor concentracin de Fe (II), mayor es la velocidad del proceso. Sin embargo, es posible que la concentracin y la manera en como se agrega el perxido de hidrgeno posea gran influencia en la cintica del proceso. Es claro que la concentracin del H202, que indudablemente es el reactivo limitante del proceso foto-Fenton, es un tpico que debe ser considerado con mucha precisin si se desea obtener mejores resultados. En cuanto a la estimacin de los costos del proceso, si bien no resulta sencillo comparar el uso de energa proveniente del sol con la aplicacin de fuentes artificiales de radiacin, es posible decir que el procedimiento descrito utiliza una fuente de energa ampliamente disponible en nuestro pas y una geometra de coleccin solar que ha sido identificada como la ms eficiente y econmica, en cuanto a costos de construccin y mantenimiento, para aplicaciones de fotocatlisis. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Akmehmet I.A., Tuhkamen T. y Finland T. (1999) Oxidative treatment of simulated dyehouse effluent by UV, near-UV light assisted Fentons reagent. Chemosphere 39(5) 2767-2783. Akmehmet I.A. (1999) Degradation of commercial reactive dyestuff by heterogeneous and homogeneous advanced oxidation processes: a comparative study. Dyes and Pigments 43, 95-108.

  • Kang S.F., Ling C.H. y Hung H.P. (1998) Peroxidation treatment of dye manufacturing wastewater in the presence of UV light and ferrous ion. Journal of Hazardous Materials B65, 317-333.

    Mansilla H. D., Lizama C., Gutarra A. y Rodrguez J. (2001) Tratamiento de residuos lquidos de la industria de celulosa y textil, en Eliminacin de contaminantes por fotocatlisis heterognea, Blesa M.A. editor, Editorial CYTED, La Plata, Argentina, 285-294.

    United States Environmental Protection Agency (USEPA). (1997) Office of compilance Sector Notebook, Project: Profile of the textile Industry, http://www.cluin.org/download/toolkit/textilsn.pdf.