TECNOLOGÍA A SOLAR EN EL TRATAMIENTO DE EFLUENTES ACUOSOS INDUSTRIALES (I)

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1 DIRECTOR TÉCNICO T DE MEDIO AMBIENTE MÓDULO 5: CASOS PRÁCTICOS DE PROTECCIÓN AMBIENTAL EN LA EMPRESA TECNOLOGÍA A SOLAR EN EL TRATAMIENTO DE EFLUENTES ACUOSOS INDUSTRIALES (I) Ernesto Amores Vera Ingeniero Industrial Universidad de Castilla-La Mancha

2 ÍNDICE DE CONTENIDOS 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada (POA) 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

3 1. CONTAMINACIÓN DE AGUAS 1.1. Definición 1.2. Naturaleza de las aguas residuales 1.3. Efectos de la contaminación del agua 1.4. Tratamiento de aguas residuales

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6 1.2. Naturaleza de las aguas residuales Los contaminantes anteriores pueden ser clasificados en función del tipo de contaminación en tres categorías: Contaminantes Químicos: 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada Orgánicos Disminución de O 2 Inorgánicos Efecto tóxico Contaminantes Físicos: Cambios térmicos Alteran el ecosistema El color Gris o negro La turbidez Sólidos en suspensión Espumas, detergentes y radioactividad Contaminantes Biológicos Enfermedades 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

7 1.2. Naturaleza de las aguas residuales Parámetros para caracterizar las aguas residuales: Contenido en sólidos, DBO5, DQO, ph Constituyente (mg./l) Fuerte Media Débil 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada Sólidos, en total Disueltos, en total Suspendidos, en total Demanda Bioquímica de O Nitrógeno Amoniaco Libre Fósforo Alcalinidad Las aguas residuales son una mezcla compleja de compuestos, por lo que generalmente no es posible obtener un análisis completo de las mismas Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

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10 1.4. Tratamiento de aguas residuales 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

11 1.4. Tratamiento de aguas residuales 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada 4. Tecnologías solares TRATAMIENTO PRIMARIO Pretratamiento Filtración Sedimentación Trituración 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

12 1.4. Tratamiento de aguas residuales 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada 4. Tecnologías solares TRATAMIENTO SECUNDARIO Lodos activados Placas rotativas Reactor biológico Sedimentación 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

13 1.4. Tratamiento de aguas residuales 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada TRATAMIENTO TERCIARIO Filtración Desinfección Cloración 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

14 1.4. Tratamiento de aguas residuales 1. Contaminación de aguas Como complemento a los procesos anteriores 2. Procesos de Oxidación Avanzada - PROCESOS DE OXIDACIÓN - Son procesos en los que el contaminante es transformado por la acción oxidante de ciertos compuestos, en otras especies, que pueden resultar incluso inocuas 4. Tecnologías solares PROCESOS DE OXIDACIÓN CONVENCIONALES PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADA 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

15 2. PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADA (POA) 2.1. Procesos de Oxidación Convencionales 2.2. Clasificación de los POA 2.3. Medios de control de los POA

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19 2.2. Clasificación de los POA Procesos basados en la combinación simultánea de los oxidantes más habituales generación de especies muy reactivas 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada OXIDANTE E0(V) Flúor 3,03 Radical hidroxilo, OH 2,80 Oxígeno atómico 2,42 Ozono 2,03 Peróxido de hidrógeno 1,78 Cloro 1,36 O 3 /H 2 O 2 Fenton O 3 /OH - NO FOTOQUÍMICOS FOTOQUÍMICOS Foto-Fenton UV/O 3 UV/H 2 O 2 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

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21 3. QUÍMICA SOLAR 3.1. Radiación solar 3.2. Tecnologías de captación solar 3.3. Procesos de química solar

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23 3.1. Radiación solar Factores que influyen en la radiación incidente: La radiación presenta gran dispersión y por tanto baja densidad energética 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada Intermitencia o variabilidad en el tiempo: gases emitidos a la atmósfera, nubosidad. 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

24 3.1. Radiación solar 1. Contaminación de aguas Clasificación de la radiación incidente: Radiación directa, D Radiación difusa, I Radiación reflejada, R G = I + D + R 2. Procesos de Oxidación Avanzada 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

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26 3.2. Tecnologías de captación solar Principales tecnologías de captación solar: Solar pasiva 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada Solar térmica De baja temperatura De media temperatura De alta temperatura Solar fotovoltaica 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales Solar fotoquímica

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28 3.3. Fotocatálisis solar 1. Contaminación de aguas QUÍMICA SOLAR 2. Procesos de Oxidación Avanzada Utilización de la luz solar o de fuentes luminosas para eliminar compuestos orgánicos que estén presentes en efluentes líquidos, gases o en suelos 4. Tecnologías solares PROCESOS TERMOQUÍMICOS PROCESOS FOTOQUÍMICOS 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales FOTOCATÁLISIS SOLAR

29 3.3. Fotocatálisis solar Absorción de energía radiante a través de un fotocatalizador se alcanzan estados electrónicos excitados, que al desactivarse, generan una especie orgánica agresiva encargada de degradar los contaminantes 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

30 3.3. Fotocatálisis solar 1. Contaminación de aguas Características de la fotocatálisis solar: Destruye sustancias tóxicas no biodegradables hasta compuestos totalmente inocuos. Mineraliza prácticamente cualquier sustancia orgánica. Oxida elementos inorgánicos como cianuros. Permite realizar una reducción de metales. Elimina contaminantes en un único proceso in situ Proceso a temperatura ambiente. 2. Procesos de Oxidación Avanzada 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

31 4. TECNOLOGÍAS SOLARES 4.1. Reactores - colectores solares 4.2. Reactores para tratamiento de aguas

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33 4.1. Reactores-colectores solares 1. Contaminación de aguas Tipos de reactores-colectores solares: Sin concentración o baja temperatura ( < 150ºC) 2. Procesos de Oxidación Avanzada Concentración media o media temperatura ( ºC) Alta concentración o alta temperatura ( > 400ºC) 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

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35 4.2. Reactores para tratamiento de aguas 1. Contaminación de aguas Reactores cilindro-parabólicos (PTC): Con seguimiento en un eje Con seguimiento en dos ejes 2. Procesos de Oxidación Avanzada 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

36 4.2. Reactores para tratamiento de aguas 1. Contaminación de aguas Reactores cilindro-parabólicos (PTC): 2. Procesos de Oxidación Avanzada VENTAJAS Flujo turbulento (favorece la transferencia de materia). Ausencia de vaporización de compuestos volátiles. INCONVENIENTES Sólo aprovechan la radiación directa. Alto coste. Baja eficiencia óptica Baja eficiencia cuántica Sobrecalentamiento del agua a tratar 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

37 4.2. Reactores para tratamiento de aguas 1. Contaminación de aguas Reactores solares sin concentración: Placa plana o cascada Balsa superficial 2. Procesos de Oxidación Avanzada Placa plana hueca Tubulares 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

38 4.2. Reactores para tratamiento de aguas 1. Contaminación de aguas Reactores solares sin concentración: 2. Procesos de Oxidación Avanzada VENTAJAS Aprovechamiento de la radiación directa y difusa INCONVENIENTES Flujo laminar (baja transferencia de materia) No se produce sobrecalentamiento del agua a tratar. Bajo coste. Alta eficiencia óptica y cuántica. Vaporización de compuestos volátiles. 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

39 4.2. Reactores para tratamiento de aguas 1. Contaminación de aguas Reactores cilíndrico-parabólicos compuestos (CPC) 2. Procesos de Oxidación Avanzada Los reactores tipo CPC son unos sistemas estáticos con una superficie reflectante enfocada hacia un fotorreactor cilíndrico siguiendo su envolvente. Estos dispositivos proporcionan una de las mejores ópticas para los sistemas de baja concentración, pudiendo además ser diseñados con una RC = 1, con lo que se consiguen simultáneamente las ventajas de los PTC y de los reactores sin concentración. 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

40 4.2. Reactores para tratamiento de aguas 1. Contaminación de aguas Reactores cilíndrico-parabólicos compuestos (CPC) 2. Procesos de Oxidación Avanzada 4. Tecnologías solares Toda la radiación que llega al colector puede ser recogida y utilizada para el proceso fotocatalítico en el reactor. La radiación UV reflejada por el CPC es además distribuida alrededor de la parte trasera del tubo fotorreactor y como resultado la mayoría de la circunferencia del tubo fotorreactor se encuentra iluminada. 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

41 5. DISEÑO DE UNA PLANTA CPC PARA TRATAR EFLUENTES INDUSTRIALES 5.1. Parámetros limitantes del proceso 5.2. Materiales para diseño de reactores 5.3. Diseño de una planta CPC

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43 5.1. Parámetros limitantes del proceso Parámetros de influencia en el proceso de fotocatálisis: Temperatura generalmente el proceso de fotocatálisis no es muy sensible a la temperatura. 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada Intensidad de la radiación la velocidad de reacción aumenta a medida que se incrementa la intensidad de iluminación, hasta alcanzar un punto máximo. 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

44 5.1. Parámetros limitantes del proceso Parámetros de influencia en el proceso de fotocatálisis: Naturaleza y concentración del contaminante Ejercen una fuerte influencia en la cinética de degradación y en el mecanismo de reacción que éste sigue. Aditivos y agentes oxidantes Inciden de forma importante en la eficacia del proceso de fotocatálisis, ya sea inhibiendo o acelerando la velocidad de degradación del contaminante. OXÍGENO PERÓXIDO DE HIDRÓGENO IÓN PERSULFATO 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

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46 5.1. Parámetros limitantes del proceso Parámetros limitantes del diseño de reactores: Disposición del catalizador inmovilizados o en suspensión 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada Tiempo de residencia tiempo en el que cada unidad de fluido va estar expuesta a la radiación en su paso por el reactor TIEMPO DE RESIDENCIA = TIEMPO REQUERIDO PARA LA FOTOCATÁLISIS 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales PROCESOS EN LÍNEA PROCESOS EN RECIRCULACIÓN

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52 5.3. Diseño de una planta CPC Área de los colectores solares: 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada V t Volumen total de agua a tratar anualmente (m 3 ). T s Horas anuales de operación del campo solar UV G Valor medio anual de la radiación solar UV global, salida a puesta de sol (W m -2 ). Q UV Energía solar media necesaria para degradar los contaminantes (kj L -1 ) 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

53 5.3. Diseño de una planta CPC 1. Contaminación de aguas Tiempo de residencia: FOTOCATÁLISIS (radiación incidente constante) Tiempo de residencia FOTOCATÁLISIS SOLAR (radiación variable con el tiempo) Energía acumulada 2. Procesos de Oxidación Avanzada 4. Tecnologías solares Q UV,n Energía total acumulada hasta el instante n en el fotorreactor por unidad de volumen (kj L -1 ). U VG,n Radiación solar media incidente sobre la superficie captadora del reactor desde el tiempo n-1 hasta el tiempo n (kw m -2 ). Δt n Tiempo experimental entre n-1 y n (seg.). Δt n = t n t n-1 A CPC / V TOT Área total captadora de reactores tipo CPC sobre volumen total de la planta (m 2 / L). 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

54 5.3. Diseño de una planta CPC Ejemplo de planta piloto: 1. Contaminación de aguas 2. Procesos de Oxidación Avanzada 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

55 6. CONCLUSIONES

56 6. CONCLUSIONES 1. Contaminación de aguas La creciente preocupación medioambiental está imponiendo la búsqueda de sistemas energéticos sostenibles. 2. Procesos de Oxidación Avanzada Los procesos de química solar cubren un amplio rango de aplicaciones y se ha demostrado técnicamente viable. A corto plazo los procesos de química solar más prometedores son los de tratamiento de aguas. La importancia de esta última técnica reside en el claro potencial de los procesos fotocatalíticos basados en la luz solar, y en la necesidad de tratamientos de desinfección de aguas, para hacer frente a futuros problemas de sequía. 4. Tecnologías solares 5. Diseño de una planta CPC para tratar efluentes industriales

57 GRACIAS POR SU ATENCIÓN