DEGRADACIÓN DE DESECHOS DE LABORATORIO MEDIANTE FOTOCATÁLISIS SOLAR

Transcripción

1 XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental Cancún, México, 27 al 31 de octubre, 2002 DEGRADACIÓN DE DESECHOS DE LABORATORIO MEDIANTE FOTOCATÁLISIS SOLAR Leónidas A. Pérez-Estrada Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Manuel Sánchez Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Ma. Teresa Leal Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Erick R. Bandala* Instituto Mexicano de Tecnología del Agua Ingeniero Químico. Maestro en Química Orgánica. Investigador del Instituto Mexicano de Tecnología del Agua desde Profesor de la División de Estudios de Posgrado de la Facultad de Ingeniería de la UNAM. Es autor de 19 publicaciones internacionales, 6 publicaciones nacionales, 2 capítulos en libro y más de 20 informes técnicos de investigación, dirigido 6 tesis de licenciatura y 3 de maestría. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Paseo Cuauhnáhuac Jiutepec, Morelos México. Tel/Fax: ebandala@tlaloc.imta.mx RESUMEN Se llevó a cabo la degradación del colorante azul de metileno residual proveniente de los residuos de la determinación de sustancias activas al azul de metileno mediante el proceso foto-fenton utilizando energía solar. Las pruebas fueron llevadas a cabo a escala banco en un colector de canal parabólico compuesto (CPC), empleando tres diferentes concentraciones de catalizador. Los resultados obtenidos muestran que fue posible degradar hasta el 90% del colorante en 30 minutos de irradiación cuando se emplearon 40 mg/l de Fe(II) y que el empleo de 100 mg/l de catalizador generó una reacción de degradación tan rápida que no fue posible seguirla y que terminó con el colorante por completo en menos de 15 minutos de irradiación. Con los resultados obtenidos se realizó una aproximación a los costos de inversión y operación del proceso. Los resultados obtenidos sugieren que éstos no son excesivamente altos comparados con los costos de otros procesos de tratamiento. Adicionalmente, se sugiere la posibilidad del acoplamiento de la tecnología de fotocatálisis solar con otras metodologías de tratamiento, como el tratamiento biológico, lo que podría significar una abatimiento de los costos del proceso. Palabras clave: Fotocatálisis, Proceso foto-fenton, Degradación de colorantes, Azul de metileno. INTRODUCCIÓN Los residuos que resultan de los procesos productivos a través de los cuales se utilizan materias primas, energía, capital y trabajo humano para generar bienes socialmente deseables, constituyen en la actualidad subproductos para los cuales generalmente no hay precios positivos ni mercados (Quadri, 1996). Todos los sectores de la sociedad, desde las actividades domésticas hasta las diversas actividades industriales y de servicios privados y públicos, generan residuos. Los laboratorios de investigación, incluyendo los laboratorios de análisis de muestras ambientales no son la excepción. La eliminación de los residuos generados durante los procesos de análisis químicos en muestras ambientales es una necesidad, tanto por la

2 disminución del impacto de éstos sobre el ambiente, como también desde el punto de vista económico. En la actualidad, la política nacional de residuos acuerda una importancia prioritaria a la reducción de su generación y peligrosidad en la fuente, en particular, mediante la adopción de procesos productivos más limpios. Por otro lado, la segunda prioridad es su reúso, reciclado y recuperación. La última prioridad es su tratamiento y disposición final, todo ello de manera ambientalmente adecuada. Actualmente, una parte de los residuos generados en los laboratorios son tratados para su reúso, mientras que otra fracción es enviada a compañías externas de transporte y disposición para su futuro tratamiento o confinación. Este ejercicio es extremadamente caro y sólo transfiere el problema de manos (Montuy et al., 1996). En los laboratorios de análisis de agua, uno de los parámetros más comúnmente realizados es la determinación de residuos de detergentes mediante la técnica de determinación por medio de las sustancias activas al azul de metileno (SAAM). En este caso, una porción alícuota de la muestra es coloreada con azul de metileno y posteriormente extraída con cloroformo para determinar la concentración de detergentes mediante espectroscopía Ultravioleta/Visible. Este método colorimétrico genera alrededor de 100 ml de residuos por muestra con un contenido razonablemente alto de azul de metileno y trazas de cloroformo. La presencia de estos dos compuestos en el agua residual generada hace poco recomendable su tratamiento mediante, por ejemplo, degradación biológica ya que el cloroformo es una sustancia de muy alta toxicidad. Adicionalmente, la mezcla de disolventes inmiscibles involucrada en el agua residual generada plantea una complicación adicional que hace de este residuo una matriz interesante para metodologías no convencionales. Debido a que el número de laboratorios es bajo, la contaminación causada por éstos es considerada despreciable. Sin embargo, la determinación de SAAM y otras pruebas colorimétricas son pruebas de rutina, por lo que la cantidad de residuos coloridos generados es importante. Tomando en cuenta únicamente el problema de generación de agua residual proveniente de las determinaciones colorimétricas incluidas en la normatividad de análisis de agua residual en México, es posible estimar que se generan alrededor de 30 L de residuos diarios en un laboratorio por concepto de estas pruebas. Si se considera tan solo el número de laboratorios acreditados para análisis de agua en el país (100 laboratorios), el volumen de residuos alcanza alrededor de 3 M 3 diarios, esto sin considerar los laboratorios no acreditados y tomando en cuenta un lote de 40 muestras al día. Una alternativa para el tratamiento de esta clase de residuos es la fotocatálisis solar. Esta metodología, que consiste en aprovechar la radiación proveniente del sol para la descomposición de contaminantes por medio de un catalizador, ha sido ampliamente probada para la depuración de agua residual y se considera que su aplicabilidad es mayor al tratamiento de efluentes intermitentes con volúmenes mas bien pequeños que van desde algunos metros cúbicos hasta decenas de metros cúbicos al día. Los procesos de fotocatálisis solar han sido aplicados en la degradación de contaminantes orgánicos como plaguicidas, derivados de compuestos aromáticos, agua residual de la industria papelera, textil, automotríz y de alimentos generando resultados alentadores con la ventaja de utilizar una fuente de energía ampliamente disponible en México, la energía solar. Específicamente, una aplicación de la fotocatálisis solar es el proceso foto-fenton. Éste es una combinación del conocido proceso de oxidación de Fenton con peróxido de hidrógeno y sales ferrosas con energía lumínica. De esta manera el proceso se potencia y la eficiencia aumenta. Permite el uso de longitudes de onda desde 300 nm hasta el visible, disminuye en órdenes de magnitud las concentraciones de Fe (II) necesarias y con ello los costos, y mineraliza la materia orgánica eficientemente (Domenech et al., 2001). Por estas razones se ha decidido probar esta tecnología para su aplicación al tratamiento de agua residual del proceso de análisis de SAAM, usada como modelo para medir la aplicabilidad de la fotocatálisis solar en el tratamiento de residuos de laboratorio. El objetivo de este trabajo es presentar los resultados obtenidos en la aplicación de la fotocatálisis solar al tratamiento de efluentes provenientes del proceso de análisis químicos en muestras ambientales. METODOLOGÍA Experimentos de irradiación.

3 Las corridas experimentales fueron llevadas a cabo utilizando el proceso foto-fenton en un dispositivo a escala banco de colección solar. Este dispositivo, un concentrador de canal parabólico compuesto (CPC), es capaz de concentrar hasta tres veces la radiación global proveniente del sol. En cada corrida experimental se trataron 8 litros de agua residual generada de la prueba de determinación de SAAM. La figura 1 muestra esquemáticamente la geometría del concentrador solar utilizado en el presente trabajo. El dispositivo a escala banco fue orientado norte-sur e inclinado 18 (igual a la latitud local) con el fin de evitar el ajuste diario de la posición respecto a la elevación solar y tener la mayor eficiencia de colección de radiación. Se probaron tres concentraciones de Fe(II) (20, 40 y 100 mg/l) para determinar su efecto sobre la velocidad de la reacción de degradación manteniendo la concentración de peróxido de hidrógeno constante (5 % en peso). Para las corridas experimentales, a los residuos del laboratorio se agregó la cantidad específica de Fe(II) y la mezcla se hizo circular por el colector solar cubierto. Después de 10 minutos de recirculación sin radiación, se tomó la muestra a tiempo cero, se agregó el peróxido de hidrógeno y se destapó el colector. Las mezclas de reacción fueron irradiadas durante 60 minutos alrededor del medio día solar. Con el fin de realizar un seguimiento cercano del desarrollo del proceso se tomaron muestras cada 10 minutos, mismas que fueron analizadas para determinar su concentración de azul de metileno. La determinación de azul de metileno en las muestras fue llevada a cabo inmediatamente después que fueron tomadas éstas para prevenir variaciones en la concentración debidas al proceso Fenton residual, en un espectrofotómetro de arreglo de diodos HP 8452A a 652 nm. PYRANOMETRO RADIACION SOLAR REACTOR COLECTOR BOMBA AGITADOR TANQUE COMPUTADOR A Figura 1. Representación esquemática del concentrador CPC utilizado en el presente estudio.

4 Evaluación de la radiación solar La radiación solar es un parámetro esencial para la correcta interpretación de los datos obtenidos durante experimentos fotocatalíticos en fotocatálisis solar. La radiación global hemisférica fue determinada sobre una superficie horizontal utilizando un piranómetro (LI-200SA) capaz de medir entre 0.2 y 3.2 µm. Este valor corresponde a la cantidad de radiación solar proveniente de todas direcciones en el cielo, la cual incluye la radiación dispersa por la atmósfera. La cantidad de radiación proveniente del sol puede variar durante el transcurso de un experimento, por lo que a partir de estos datos y su variación en función del tiempo, se calculó la cantidad real de energía entrante al sistema y con ello la cantidad de energía acumulada recibida en cada corrida experimental. Para este cálculo se empleó la ecuación propuesta por Blanco et al. (2000), con el uso de la ecuación (1) es posible la combinación de los datos colectados durante experimentos de varios días de duración así como también su comparación con otros experimentos fotocatalíticos. Q n Ac = Qn 1 + tngn ecuación (1) V tot donde t n es el tiempo experimental para cada muestra, G n es el promedio de radiación durante t n, A c es la superficie del colector, V tot es el volumen total de agua tratada y Q n es la energía acumulada (por unidad de volumen, en kj/l) incidente en el reactor para cada muestra tomada durante el experimento. Consecuentemente, cuando Q n es empleada, la velocidad de reacción es expresada en términos de mg por kjoule de radiación incidente sobre la superficie de colección. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La figura 2 muestra el comportamiento de la concentración de azul de metileno como función de la energía acumulada para las corridas experimentales en las cuales se utilizaron 20 y 40 mg/l de Fe (II). Como se observa, para ambos casos la disminución más importante de la concentración de colorante se lleva a cabo en los primeros 145 kj/l. Para el primer caso, cuando se utilizaron 20 mg/l de Fe(II), la concentración de colorante disminuyó 80% en los primeros 95 kj/l. En el segundo caso, la concentración disminuyó 90% en 145 kj/l energía que se acumuló en unos 30 minutos de irradiación. Igualmente para ambos casos, después de los primeros instantes del proceso, la disminución de la concentración de azul de metileno es mucho más lenta. En la figura 2 se muestra este comportamiento para la corrida con 40 ppm de catalizador. Como se mencionó, la concentración de azul de metileno continúa disminuyendo hasta un valor cercano a cero (degradación > 99%) utilizando alrededor de 295 kj/l. Cuando se utilizaron 100 mg/l de catalizador, la disminución de la concentración de colorante fue tan rápida que no fue posible realizar un seguimiento adecuado de la misma, por lo que no se presentan los resultados. Sin embargo, es posible en este caso decir que el colorante fue degradado completamente en menos de 15 minutos de irradiación. Estos resultados permiten realizar una estimación de los parámetros de escalamiento y los costos de tratamiento de los desechos de laboratorio en cuestión. Como se mencionó antes, si se fija la cantidad de residuos provenientes de mediciones colorimétricas en alrededor de 300 L diarios, considerando la concentración de colorante empleada en este trabajo, la cantidad de contaminante generada será de alrededor de 6 g/día. De acuerdo con las consideraciones expuestas y con los resultados experimentales, la cantidad de energía necesaria para llevar a cabo la degradación del colorante en el efluente será de 1.18 X 10 5 kj/día. Los datos de

5 radiación en la localización de la planta deberán estar disponibles para el diseño de la misma. Con el fin de continuar el ejemplo si se pueden toman los datos de radiación determinados en nuestro Instituto (latitud 18, longitud 99, 1532 m sobre el nivel del mar) y emplearse para estimar el tamaño de la planta. Considerando que la media diaria de radiación en la zona es de 800 W m -2 (7 horas de luz al día) están disponibles 2016 kj m -2 dia -1. Consecuentemente, considerando que los colectores que se emplearán tienen las mismas dimensiones que el prototipo utilizado en este trabajo, la planta de tratamiento deberá tener una superficie de colección solar de 58 m 2. H2O2 5%, 20 mg/l Fe(III) H2O2 5%, 40 mg/l Fe(III) Azul de metileno C/Co Qn (kj/l) Figura 2. Disminución de la concentración de azul de metileno como función de la energía acumulada. El presente ejercicio de estimación puede completarse con una estimación del costo de la implementación de una planta para el tratamiento de residuos. El precio de mercado de colectores tipo CPC de 2.2 m 2 de superficie y tubos de 1 es de USD $ cada uno. Considerando la superficie de colección necesaria, 58 m 2, serán necesarios 27 colectores para hacer un total de alrededor de USD $ 5, sin considerar el costo del sistema de bombeo y el almacenaje de los residuos. La cantidad de peróxido necesario por corrida, de acuerdo con los resultados descritos es de 15 litros por cada 300 litros de residuo. El costo aproximado del litro de peróxido de hidrógeno al 50% en México es de USD $ 0.60 por lo que serán necesarios USD$ por lote de residuos. El costo del sulfato ferroso utilizado no será considerado en esta estimación pues este reactivo no sufre cambios durante el proceso y puede ser separado relativamente fácil del efluente final del proceso por decantación y reciclado por medio de un sistema de purgado al proceso de fotocatálisis. CONCLUSIONES Se llevó a cabo el tratamiento de agua residual, proveniente de procesos de análisis químico de agua o muestras ambientales, utilizando fotocatálisis solar mediante la reacción foto-fenton. Los resultados muestran una estrecha relación entre la concentración del catalizador con la velocidad de la reacción de degradación, de acuerdo con lo reportado en la literatura. Fue posible llevar a cabo la degradación completa del contaminante utilizado como modelo en un período de 60 minutos (295 kj/l) a las condiciones de irradiación utilizadas en las corridas experimentales. Se determinó también que el uso de concentraciones mayores de Fe(III) genera un proceso sumamente rápido que genera agua totalmente incolora en menos de una sexta parte del tiempo.

6 Se realizó el cálculo de algunos parámetros para el escalamiento del proceso, así como de los posibles costos del mismo debidos a la cantidad de reactivos empleada. Los resultados obtenidos demuestran que es posible implementar el proceso en cualquier localidad que reciba una relativamente alta irradiación solar (condiciones frecuentes en prácticamente la mayor parte de América Latina) y que los costos de inversión y operación de proceso no son extraordinariamente altos. El ejercicio de estimación de los parámetros de escalamiento y costos realizado en este trabajo fue hecho considerando la completa degradación del contaminante estudiado. Es importante puntualizar que la posibilidad de acoplamiento de la fotocatálisis solar con otros procesos de oxidación es una posibilidad interesante que no fue tomada en cuenta. En muchos casos, es posible que un proceso combinado tipo fotocatálisis solar- biodegradación, por ejemplo, permita utilizar el efluente parcialmente degradado del proceso fotocatalítico como influente del proceso biológico lo cual representará un abatimiento en los requerimientos energéticos y por tanto disminución en los costos del proceso. Los resultados generados sugieren que la fotocatálisis solar, en particular la reacción foto-fenton es una alternativa eficiente, de bajo costo y relativamente fácil de implementar para el tratamiento de residuos de laboratorios de análisis químicos de muestras ambientales, sobretodo de aquellos residuos resultado de mezclas complejas. Sus caraterísticas de caudales bajos, generación de residuos variable y toxicidad elevada, hacen este tipo de desecho ideal para su tratamiento mediante fotocatálisis solar. REFERENCIAS BIBLIOGRÄFICAS Blanco, J., S. Malato, P. Fernández, J. Cáceres, A. Campos, A. Carrión Optimización de la mineralización fotocatalítica de pesticidas en una planta solar mediante adición de especies inorgánicas oxidantes: Aplicación al reciclado de envases de pesticidas. Informes Técnicos CIEMAT 923. Editorial CIEMAT. Madrid, España. Domenech, X., W.F. Jardim, M. Litter Procesos avanzados de oxidación para la eliminación de contaminantes. En: M.A. Blesa (Ed.) Eliminación de contaminantes por fotocatálisis heterogénea. Editorial CYTED. La plata, Argentina. Motuy M. L. Ramírez, C. Durán Tratamiento de residuos generados en la determinación de la demanda química de oxígeno. Memorias del Primer Simposio Nacional sobre Residuos Peligrosos. 11 al 13 de noviembre Universidad Nacional Autónoma de México. Pp Quadri, G Politicas gubernamentales sobre los residuos peligrosos. Memorias del Primer Simposio Nacional sobre Residuos Peligrosos. 11 al 13 de noviembre Universidad Nacional Autónoma de México. Pp