OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS FOTO-FENTON Y FOTOCATÁLISIS CON TIO2 MEDIANTE LA METODOLOGIA SUPERFICIE DE RESPUESTA HACIA LA DESINFECCION DE AGUA PARA CONSUMO HUMANO TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO ACADEMICO DE MAESTRO EN CIENCIA Y TECNOLOGIA EN LA ESPECIALIDAD DE INGENIERIA AMBIENTAL PRESENTA ING. AMBIENTAL FÁTIMA GPE. CÓRDOVA OLAEZ Director: Dr. Juan Manuel Peralta Hernández Co director: Dra. Pilar Fernández Ibáñez León, Guanajuato, México, Septiembre 2013.
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TESIS...Por su importante colaboración en el enriquecimiento del contenido de esta tesis le agradezco a la Dra. Iliana Medina Ramírez y a la Dra. Madai Granados Neri. A todas las
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OPTIMIZACIÓN DE LOS PROCESOS FOTO-FENTON Y
FOTOCATÁLISIS CON TIO2 MEDIANTE LA
METODOLOGIA SUPERFICIE DE RESPUESTA HACIA
LA DESINFECCION DE AGUA PARA CONSUMO
HUMANO
TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO
ACADEMICO DE
MAESTRO EN CIENCIA Y
TECNOLOGIA EN LA ESPECIALIDAD
DE INGENIERIA AMBIENTAL
PRESENTA
ING. AMBIENTAL FÁTIMA GPE. CÓRDOVA OLAEZ
Director:
Dr. Juan Manuel Peralta Hernández
Co director:
Dra. Pilar Fernández Ibáñez
León, Guanajuato, México, Septiembre 2013.
iii
Agradecimientos
Hago extensivo mi agradecimiento al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología
(CONACYT) por haberme otorgado una beca para realizar mis estudios de maestría así
como la beca de movilidad al extranjero para la estancia profesional.
La realización de este trabajo fue posible gracias al apoyo de Centro de Innovación
aplicado en Tecnologías Competitivas (CIATEC), así como la coordinación del
Programa Interinstitucional de Ciencia y Tecnología llevado a cabo por Desarrollo de
Talento.
Mi agradecimiento al Dr. Juan Manuel Peralta por el asesoramiento que recibí en todas
las etapas del presente trabajo de investigación, por la revisión de este y sus
importantes sugerencias para mejorar este documento, a todo el personal de CIATEC
principalmente al área de investigación ambiental por el apoyo recibido para la
realización de este proyecto.
Al Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT)
por la aprobación de continuar con los trabajos de comprobación de tratamiento en la
Planta Solar de Almería, el apoyo y orientación de la Dra. Pilar Fernández Ibáñez así
como del personal de laboratorio.
Por su importante colaboración en el enriquecimiento del contenido de esta tesis le
agradezco a la Dra. Iliana Medina Ramírez y a la Dra. Madai Granados Neri.
A todas las personas que me rodean familia, amigos, maestros y doctores ya que
juegan un papel muy importante en mi vida y son quienes a pesar de los inconvenientes
y errores cometidos siempre tenían una palabra de aliento para que continuara
adelante, por ellos se ha concluido esta etapa, solo me queda decir:
“Gracias por todo”
iv
Medio de transferencia Tecnológica:
Reconocimiento por impartir la conferencia “Degradación de Componentes Orgánicos
en Solución Acuosa Aplicando Tecnologías Avanzadas y de Oxidación” en el marco del
“Día del Desarrollo Sustentable” llevado a cabo el 9 de mayo de 2012, en el Instituto
Tecnológico Superior de Irapuato.
Reconocimiento por exposición de poster con el tema “Degradación de Compuestos
Orgánicos en Solución Acuosa Aplicando Diferentes Tecnologías Avanzadas de
Oxidación” en el IX encuentro Participación de la Mujer en la Ciencia del 16-18 Mayo
2012, organizado en el Centro de Investigación en Óptica, A.C.
Reconocimiento por impartir la conferencia “Degradación de materia orgánica presente
en agua de consumo mediante los procesos Fenton/foto-Fenton y Fotocatálisis” a los
alumnos de la carrera de Tecnología Ambiental el día 04 de setiembre del 2012, en las
instalaciones de la Universidad Tecnológica de León.
Constancia por haber presentado el trabajo en la modalidad oral “Optimization of photo
assisted process for disinfection drinking water by means of Response Surface
Methodology” dentro del congreso International Water Association México, Abril-2013
en el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica.
v
Resumen
Los problemas de disponibilidad de agua de buena calidad en la cuenca Rio Turbio van
en aumento debido a la sobreexplotación de agua subterránea esto para satisfacer las
necesidades humanas. La contaminación de este recurso subterráneo se debe
principalmente a las actividades agrícolas debido al empleo de agua residual para
irrigar los campos de cultivo ya que contienen altas concentraciones de materia
orgánica y coliformes fecales. [UNAM, Tesis de Maestría. (2009)].
En una tercera parte del país las enfermedades gastrointestinales se hacen presentes y
esto se debe a la contaminación del agua por materia fecal, la población más afectada
se encentran en las zonas rurales o bien en las zonas marginadas. Las enfermedades
específicas de transmisión hídrica están relacionadas con los microorganismos
patógenos, por ejemplo las bacterias causantes de la fiebre tifoidea, la disentería
bacteriana y el cólera así como la esquitosomosis causada por gusanos (helmintos y
larvas) y los virus que originan la hepatitis infecciosa y la poliomielitis. Actualmente las
técnicas de purificación de agua dan solución a gran parte del problema pero presentan
ciertas limitaciones, tales como los altos costos por mantenimiento y operación esto da
pauta para la aplicación de nuevos tratamientos del agua sobre todo cuando es de
Ilustración 1 Posibles vías implicadas en la foto-inactivación de E. coli en presencia de Fe2+, Fe3+ y H2O2 [D. Spuhler, Cat. Today. (2010)].
La fotocatálisis es otro PAO, cuyo término se introdujo en el glosario científico en el año
de 1930, y normalmente este término es quien hace la división entre la química
tradicional y la química que estudia las reacciones catalizadas que proceden bajo la
acción de la luz V. N. Parmon, Cat. Today. (1997). Pero no fue hasta 1972 que se
descubrió su potencial aplicación, cuando Fusjishima y Honda reportaron la
descomposición fotocatalítica del agua sobre electrodos de dióxido de titanio (TiO2) A.
Fujishima, Nature. (1972), desde entonces la fotocatálisis se ha empleado para
efectuar la degradación de una gran variedad de compuestos orgánicos, dentro de los
cuales se incluyen a los alcanos, alcoholes, ácidos carboxílicos, alquenos, colorantes,
fenoles, hidrocarburos aromáticos, pesticidas, y en la potabilización del agua P.
Fernandez-Ibañez, Water Res. (2003). La fotocatálisis por lo tanto se define como la
aceleración de una foto reacción química mediante la presencia de un catalizador;
ambos, catalizador y luz son los elementos necesarios para este tipo de procesos V. N.
Parmon, Cat. Today. (1997).
23
Como se mencionó anteriormente, el catalizador más utilizado en este sistema es el
TiO2, cuyo mecanismo por medio del cual se efectúa la oxidación de los contaminantes
es el siguiente D. Robert, Sci. Total Environmental. (2002): Se ilumina al catalizador
con luz ultravioleta de energía superior a su banda prohibida, lo que origina un exceso
de electrones en la banda de conducción y huecos positivos en la banda de valencia
(par electrón/hueco, ecuación 6).
)(22
heTiOhvTiO 6)
Por lo tanto, en la superficie del TiO2 los huecos reaccionan tanto con el agua adsorbida
como con los grupos OH- para formar los radicales OH, de acuerdo con las siguientes
ecuaciones:
HOHOHh 2 7)
OHOHh 8)
Mientras que los electrones en exceso en la banda de conducción reaccionan con el
oxígeno molecular que en este caso actúa como aceptor de electrones para generar los
radicales súper-óxido, pero cuyo potencial de oxidación es mucho menor que el del
OH.
Con base en la información anterior, es evidente que la aplicación de los distintos
procesos de oxidación avanzada para el tratamiento de aguas contaminadas con
compuestos orgánicos y potabilización son una herramienta viable, como lo demuestran
Robert y Malato, quienes en 2002 publicaron un trabajo, en el cual exponen las ventajas
de los sistemas foto asistidos, principalmente la Fotocatálisis empleando TiO2, como un
proceso limpio para llevar a cabo la detoxificación de agua [Robert D. y Malato, Science
of the total Environmental. (2002)].
La ilustración 2 muestra un diagrama del proceso de fotocatálisis en una partícula de
TiO2 iluminada por luz solar. Este proceso se produce cuando la partícula es irradiada
con una longitud de onda cuya energía es superior al ancho de banda del
semiconductor (Longitud de onda < 387 nm; E>EG = 3.2eV) provocando el paso de un
24
electrón desde la banda de valencia hasta la banda de conducción para generar, en
presencia de agua radicales hidroxilo (OH).
Ilustración 2 Representación del proceso fotocatalítico heterogéneo en una partícula de catalizador TiO2 suspendida en agua y del proceso de generación y recombinación de un par e-/h+ sobre una partícula de TiO2 [Fernandez-Ibañez, Tesis Doctoral. (2004)].
La investigación científica ha tenido un avance significativo en cuanto a la desinfección
de aguas. La fotocatálisis heterogénea es el proceso de inactivación de
microorganismos ha sido estudiada desde 1985, en este año se demostró por primera
vez el potencial de este tratamiento para inactivar en 120 min especies bacterianas
tanto gram positivas (Lactobacillus acidophilus) como gram negativas (E. Coli)
irradiando suspensiones de TiO2/Pt. Sin embargo los microrganismos más resistentes
como el alga Chlorella Vulgaris que también se evaluaron sobrevivieron al tratamiento
el 55% de estas. Se atribuyó a las diferencias estructurales de las membranas y a las
paredes celulares de los microorganismos evaluados. Los autores comentaron que se
logró la desinfección mediante oxidación fotoquímica de la coenzima A y la
consecuente pérdida de la función respiratoria [Matsunaga y Cols., FEMS Microbiology
Letters. (1985)].
La exactitud del mecanismo de desinfección es uno de los principales retos para los
investigadores, inicialmente se propuso que el mecanismo de desinfección era la
dimerización de la coenzima A y consecuente inhibición de la respiración celular, sin
embargo se han encontrado evidencias de que la acción letal ocurre sobre membranas
y paredes celulares microbianas, se explicó esto debido a que se han detectado
productos lipídicos de la peroxidación como cationes, ARN y proteínas, además del
25
aumento en la permeabilidad de la membrana avalando la teoría de la degradación de
la pared celular. [Maness y Cols., Applied Environmental Microbiology. (1999)].
Actualmente se ha establecido que el primer ataque del TiO2 en el microorganismo se
produce en la membrana y la pared celular [Malato y Cols., Catalysis Today. (2009)]. En
la siguiente ilustración se muestra la generación de radicales libres OH con TiO2 y la
desinfección con este tratamiento. Los radicales generados sobre la superficie del
semiconductor atacan a los componentes de la pared celular, alterando la funcionalidad
de esta y provocando la muerte celular. De igual forma cabe la posibilidad de dañar a la
célula con la entrada de pequeñas partículas de TiO2 que producen la oxidación de
otros componentes celulares [Blanco-Gálvez y Cols., Journal Of Solar Energy
Engineering. (2007)].
Ilustración 3 Mecanismo de desinfección del proceso fotocatalítico con TiO2 [Blanco-Gálvez y Cols., Journal of Solar Energy Engineering. ( 2007)].
2.2 Peróxido de Hidrogeno y radiación solar
El H2O2 en los procesos de oxidación avanzada se ha utilizado con ozono, como
reactivo en el proceso foto-Fenton o bien con lámparas UV-C [Malato y Cols., Catalysis
Today. (2009)]. Su uso en dichas técnicas se debe a que la generación de radicales
libres hidroxilo por la fotolisis de H2O2 se produce al ser irradiado por fotones de
longitudes de onda inferiores a 300 nm de acuerdo con la siguiente reacción
26
[Jones,C.W., Royal Society of Chemistry.( 1999); Goldstein y Cols.,Environmental
Science Technology.( 2007)].
H2O2 + hv 2 OH
Dado que la radiación solar que alcanza la superficie de la tierra contiene una pequeña
fracción de UV-B (280-300 nm) y la mayoría de UV-A espectro (320-400nm), la
ausencia de fotones UV-C solares de la superficie terrestre impide que se produzca la
reacción. Sin embargo se han encontrado evidencias experimentales del efecto letal
cuando se combina el H2O2 con radiación UV-Vis sobre la viabilidad de varios
microorganismos.
En 1976 se obtuvo la primer evidencia de la sinergia letal de la luz solar con H2O2
[Anathaswamy y Eisenstark, Journal of Photochemistry and Photobiology. (1976);
Journal of Bacteriology. (1977); Anathaswamy y Cols., Journal of Photochemistry and
Photobiology.(1979)]. Ellos publicaron más tarde un trabajo sobre el efecto bactericida
del H2O2 y radiación UV-cercana en E. coli K-12. Ambos atribuyeron los resultados al
estrés oxidativo generado por la formación de un cromoforo (producto procedente de la
irradiación del aminoácido L-triptofano) [McCormick y Cols.,Science. (1976); Hartman y
Eisenstark,Mutation Research. (1980)]. La explicación es que este nuevo fotoproducto
era tóxico para mutantes de Salmonella Typhimurium [Yoakum y Eisenstark, Journal of
batecriology.(1972)] y E. Coli [Yoakum y cols., Journal of batecriology.(1974)]
En 2005 Rincón y Pulgarin describen el aumento de la inactivación de E. coli en
presencia de H2O2 y radiación solar, aunque este ensayo fue resultado del control en
una reacción fotocatalítica con foto-Fenton, la inactivación fue atribuida a la elevada
sensibilidad a la desinfección solar por la presencia de H2O2 [Rincon y Pulgarin, Applied
Catalisys Environmetal. (2005)].
Sciacca y Cols., en 2010 describieron el efecto benéfico que presenta la adición de 10
mg/L de H2O2 a la desinfección solar (SODIS) en botellas de PET para la desinfección
de aguas superficiales que contienen de forma natural hierro disuelto (0.3 mg/L) a pH
neutro. Analizaron que la desinfección solar no lograba la inactivación completa de
Salmonella sp y coliformes durante 6 horas de irradiación solar y 72 horas en oscuridad
post-tratamiento, mientras que la adición de 10 mg/L de H2O2 resultó en un fuerte
27
aumento de la inactivación, sin observar recrecimiento de las bacterias tras el
tratamiento [Sciacca y Cols., Chemosphere.(2010)].
Si se realiza una comparación con otros agentes oxidantes, el peróxido de hidrogeno
es barato, seguro, fácil de manejar y no representa una amenaza para el medio
ambiente ya que se descompone fácilmente en agua y oxígeno, lo cual, sumando al
fuerte efecto positivo generado sobre inactivación microbiana, lo convierte en una
alternativa a los procesos convencionales de desinfección. Además de no ser tóxico a
concentraciones menores de 50 mg/L y descomponerse a temperaturas mayores a 50
°C ó después de 24 horas de haberse añadido.
2.3 Radiación Solar y su efecto germicida
2.3.1 Radiación solar terrestre
A la superficie de la tierra llegan longitudes de onda comprendidas entre 320 y 900 nm,
correspondientes a la radiación UV-B lejana, UV-A, radiación visible e infrarroja. De
toda la radiación que incide sobre la superficie terrestre, la densidad superficial de
energía radiante se distribuye en un 7,8 % de ultravioleta, un 47,3 % de visible y un
44,9 % de infrarroja [Fernandez-Ibañez, Tesis Doctoral. (2004)].
La radiación global se clasifica en directa y difusa, la radiación directa es la que llega a
la superficie de la tierra sin haber sufrido cambio en su trayectoria lineal desde el disco
solar. La radiación difusa es dispersada por nubes y vapor de agua de forma diferente a
la directa, debido a los procesos de absorción y dispersión de luz.
De toda la energía radiante emitida por el sol en un año (Potencia = 1033 erg/s ;
energía = 3,15 x 1034 J = 8,75 x 1027 kWh), tan solo llegan a la tierra 5,4 x 1024 J.
Debido a la absorción y dispersión de la energía radiante emitida por el sol sufre una
modificación en la intensidad que es dependiente de los componentes atmosféricos con
los que interacciona y de la longitud de onda de la radiación. [Thekaecera, Solar
Energy. (1973)].
28
Podría establecerse un valor promedio estimado de irradiación global UV recibida, este
puede variar con la localización del emplazamiento (longitud, latitud) y con el tiempo.
Para medir la radiación se emplean piranometro de radiación UV global.
Ilustración 4 Espectros terrestres con el sol a 48,2 ° del ángulo cenital [ASTM,(1987)] y extraterrestre [Thekaecera, Solar Energy. (1973)].
2.3.2 Desinfección de agua por radiación solar
La desinfección de agua mediante radiación solar enfocada a la disminución de la
capacidad de reproducción de los microorganismos se conoce desde años atrás. Acra y
Cols definen el concepto de desinfección solar (SODIS) en agua de consumo y
rehidratantes en solución [Acra y cols, 1980]. La OMS aprobó este tratamiento SODIS
para desinfectar el agua en uso doméstico. Con ello fueron beneficiados los países en
vías de desarrollo. [OMS, Publicación. (2009)].
SODIS es un método barato y eficaz para desinfectar el agua usando solo botellas
plásticas transparentes, la exposición a la luz ha demostrado desactivar
microorganismos que causan diarrea. El tiempo requerido para la desinfección es de 6
horas como mínimo para obtener la sinergia entre temperatura y radiación [Wegelin y
Cols., Journal of Water SRT-Aqua. (1994)], sin embargo en días nublados se requieren
2 días consecutivos.
29
Ilustración 5 Aplicación de SODIS en Indonesia.
El daño a las células bacterianas depende de la fracción del espectro UV como se
muestra a continuación:
UV-Vacío (100-200 nm): esta se disipa en el agua rápidamente y no alcanza la
superficie terrestre por lo que las células no sufren efecto alguno.
UV-C (200- 280 nm): Esta es retenida principalmente en la capa de ozono pero se ha
utilizado en lámparas para desinfección de agua; es la longitud de onda de máxima
adsorción del ADN por lo que es la más energética y peligrosa para las células.
UV-B (280-320 nm): de igual forma queda retenida en la capa de ozono pero puede
provocar alteraciones al ADN.
UV-A (320-400 nm): es similar a la UV-B sin embargo requiere mayores dosis para
generar el mismo efecto al ser menos energética.
En la siguiente figura se pueden observar los principales daños generados sobre las
células por las distintas franjas del espectro solar que corresponde a cada rango de
radiación UV. Dependiendo del rango de radiación UV empleado se llevaran a cabo
distintos mecanismos de inactivación celular. [Malato y Cols., Catalisys Today. (2009)].
30
Ilustración 6 Principales daños biológicos por las distintas franjas del espectro UV.
2.4 Captadores solares CPC
La utilización de la energía solar a través de la concentración es una alternativa
promisora. Dentro de los usos de la energía solar los sistemas de concentración más
usadas es el CPC (Colector Parabólico Compuesto). En 1981 Rapp [D. Rapp, Solar
Energy. (1981)]., desarrollo el CPC utilizando una descripción matemática basada en
geometría analítica y, a través de esta, obtuvo los parámetros geométricos importantes
para el diseño. Las ventajas de este sistema para su aplicación en la fotocatálisis se
muestran a continuación [Romero y Cols., Solar Energy. (1999)]. Aprovechamiento de
radiación directa y difusa, frente a los de seguimiento de la trayectoria solar, los cuales
solo captan la directa.
Su rendimiento óptico es muy alto ya que aprovechan toda la radiación que les
llega y puesto que no recibe un flujo fotónico excesivo, se obtiene una eficiencia
en las reacciones de fotocatálisis muy elevada.
No se producen aumentos en la temperatura importantes en el seno de la
reacción fotocatalítica, por lo que se evitan problemas de pérdidas o volatilización
de compuestos orgánicos.
31
Permite el uso de reactores presurizados, tanto para evitar pérdidas de volátiles
como para aumentar la concentración de O2, si fuese necesario.
Requiere el uso de un reactor tubular evitando los problemas de los sistemas no
concentradores, que tienen un flujo laminar y ofrecen una transferencia de
materia muy baja. En el tubular se produce un flujo turbulento, favorable para la
fotocatálisis.
Sus costes de construcción, instalación y mantenimiento se pueden abaratar
bastante si se compara a los colectores de seguimiento.
El funcionamiento de estos colectores consiste básicamente en recoger la radiación
solar y tenerla disponible para los procesos fotocatalíticos. Dicha radiación es
concentrada mediante espejos parabólicos o superficies reflectantes [Luis Fernando
Garces, revista lasallista de la investigación, Vol. I No. 1]., conduciéndolas hacia el foco
de dicha parábola a lo largo de la cual se encuentra el tubo absorvedor tal como se
muestra en la siguiente ilustración
Ilustración 7 Diagrama esquemático del funcionamiento de un colector solar.
2.5 Inactivación celular mediante OH
32
La generación de especies reactivas del oxígeno (ROS por sus siglas en inglés) tales
como el superóxido, el peróxido de hidrogeno y el radical hidroxilo son los mecanismos
principales en el proceso de inactivación celular de los microorganismos.
Los radicales libres son moléculas inestables y muy reactivas su vida biológica es de
microsegundos, para conseguir la estabilidad modifican a moléculas de su alrededor
provocando la aparición de nuevos radicales, por lo que se crea una reacción en
cadena que dañara muchas células y puede ser indefinida si los antioxidantes no
intervienen.
Los radicales libres producen daño a diferentes niveles de la célula:
Atacan a los lípidos y proteínas de la membrana celular por lo que la célula no puede
realizar sus funciones vitales (transporte de nutrientes, eliminación de desechos,
división celular, etc.)
El radical superóxido O2‾ se encuentra normalmente en el metabolismo provoca una
reacción en cadena de la lipoperoxidación de los ácidos grasos de los fosfolípidos de la
Tabla 31 Resultados de la comprobación del modelo matemático del proceso fotocatalítico con TiO2
pH TiO2 H2O2 Mineralización
3 50 mg en 25 L ó 2 ppm 0.29 mL o 2 ppm parcial, 14 ppm total 102.704 optimo
5 125 mg en 25 L ó 5 ppm 0.50 mL o 3.7 ppm parcial, 26 ppm total 91.01
7 200 mg en 25 L ó 8 ppm 0.71 mL o 5 ppm parcial, 35 ppm total 90.37
Cabe resaltar que la ecuación final del modelo matemático es superior al 100% debido
a que se realizaron los cálculos con la ecuación de regresión que más se aproxima al
comportamiento del proceso Fotocatalítico, esta ecuación se obtuvo a partir de los
resultados obtenidos en cada uno de los diferentes tratamientos.
4.4 Gráfica de comparación de tratamientos Fenton, foto-Fenton y Fotocatálisis
con TiO2
El proceso de menor degradación fue Fenton con un 84% mientras que el proceso
Fotocatalítico con TiO2 obtuvo un 91 %, el proceso con mayor degradación fue el foto-
Fenton con una degradación del 98 % de remoción.
0 5 10 15 20 25 300
20
40
60
80
100
120
TO
C (
mg
/L)
Tiempo (min)
Fenton
Foto-Fenton
Fotocatálisis
Control
98
Ilustración 44 Comparación de procesos
Tabla 32 Concentraciones de los diferentes procesos
Proceso Optimo
Fenton pH 5, 2 ppm de H2O2, 2.9 mM de Fe2+.
Foto-Fenton pH 4, 3.7 ppm de H2O2, 1 mM de Fe2+ .
Fotocatálisis
pH 7, 2 ppm de H2O2, 8 mg/L de TiO2 .
99
4.5 Resultados de la comprobación y control de variables en los tratamientos
óptimos
Experimento No.1 Proceso Fenton, pH 4, H2O2 3.7 ppm cada 5 minutos hasta alcanzar un total de 26 ppm,
Fe2+ 1mM, pH Inicial 4.06 Final 2.99, 5 horas de tratamiento.
Ilustración 45 Experimento 1 CFU vs tiempo
Ilustración 46 Experimento 1 concentración mg/L vs tiempo
En condiciones de obscuridad y con relación 1:2 (Fe2+:H2O2) se llegó al límite de
detección (2UFC/mL) a los 300 min de tratamiento, el pH inicial fue de 4.06 y el final de
2.99 aproximándose al pH óptimo para la reacción Fenton, la concentración final de
Hierro Total fue 8.25 mg/L, la concentración inicial fue del peróxido de hidrogeno 0.23
mg/L y la final de 2.34 mg/L, el COT inicial fue de 28.297 mg/L y el final fue de 26.065
removiendo 7.88 %.
Experimento No.2
100
Fenton, pH 4, H2O2 3.7 ppm cada 5 min hasta alcanzar 26 ppm, Fe2+ 0.16 mM, pH
inicial 4.07 final 3.55, 4 horas de tratamiento.
Ilustración 47 Experimento 2 CFU vs Tiempo
Ilustración 48 Experimento 2 Concentración vs Tiempo
Bajo estas condiciones se llegó al límite de detección en 180 min, comenzando a pH
4.07 y terminando en 3.55, la relación hierro: peróxido fue de 1:3, la concentración de
hierro total inició en 8.29 mg/L y terminó en 2.61 mg/L para el peróxido se inició en 0.32
mg/L y terminó en 19.06 mg/L, el carbono orgánico total inició en 26.480 mg/L y terminó
en 22.113 mg/L por lo cual se logró una degradación del 9.57 %.
101
Experimento No.3 Foto Fenton, pH 4, H2O2 3.7 ppm cada 5 min hasta llegar a 26 ppm, Fe2+ 0.16 mM
pH inicial 4.04 final 3.72, 2 horas de tratamiento.
Ilustración 49 Experimento 3 CFU vs QUV
Ilustración 50 Experimento 3 Concentración vs Tiempo
Se llegó al límite de detección en 45 min iniciado a pH 4.04 y terminando en 3.72, la
radiación acumulada fue de 5.951 kJ/L, la [Fe total] inicial fue de 8.29 y terminó en 1.50
mg/L, [Peróxido] inicial fue de 0.99 y terminó en 0.22 llegando al punto máximo después
de 30min a 13.30 mg/L, el TOC inicial fue de 33.550 mg/L concluyendo en 21.656 mg/L
con una degradación de 35.45 %.
Experimento No.4
102
Fotocatálisis, pH 7, TiO2 8 mg/L, H2O2 2 mg/L cada 5 min hasta alcanzar 14 ppm
2 horas de tratamiento.
Ilustración 51 Experimento 4 CFU vs QUV
Ilustración 52 Experimento 4 Concentración vs Tiempo
En dos horas de tratamiento no se alcanzó el límite de detección obteniendo 3 UFC/mL
finales, la radiación acumulada fue de 5.43 kJ/L, la concentración del peróxido inició en
3.75mg/L y la final en 10.85 llegando al punto máximo después de los 30 min en 13.75
mg/L, el TOC inicial fue de 34.07 mg/L y el final llegó a 30.76 obteniendo el 9.688 % de
degradación.
Experimento 5
103
Foto-Fenton, pH 4, Fe2+ 0.16mM, H2O2 2.57 ppm cada 5 min hasta alcanzar 18 ppm
2 horas de tratamiento.
Ilustración 53 Experimento 5 UFC vs QUV
Ilustración 54 Experimento 5 concentración vs tiempo
El límite de detección fue alcanzado a los 90 min, la energía acumulada fue de 6.201
kJ/L, el pH inicial fue de 4.14 y el final de 3.65, la concentración de hierro total inicial fue
de 7.69 mg/L y la final de 1.50 mg/L, la concentración del peróxido inicial fue de 0.22
mg/L y terminó en 1.39 mg/L la concentración más alta se alcanzó a los 30 min con
11.86 mg/L, COT inicial fue de 41.070 y el final de 28.822 mg/L degradándose un
29.82%.
Experimento 6
104
Foto-Fenton, pH 4, Fe2+ 0.40 mM, H2O2 3.177ppm cada 5 minutos hasta alcanzar 23
ppm, 2 horas de tratamiento.
Ilustración 55 Experimento 6 UFC vs QUV
Ilustración 56 Concentración vs Tiempo
El limite se alcanzó a las 2 horas, la radiación acumulada fue de 6.445 kJ/L, el pH inicial
fue de 4.03 y el final de 3.32, la concentración inicial de hierro total fue de 48.12 mg/L
terminando en 4.22 mg/L, el peróxido inicial fue de 0.16 mg/L concluyendo en 0.72 mg/L
llegando a la concentración máxima en 9.81 mg/L, el carbono orgánico total inicial fue
de 49.39 mg/L y el final de 36.82 mg/L degradando 25.44 mg/L.
Experimento 7 Foto-Fenton, pH4, Fe2+ 0.08 mM, H2O2 1.14 ppm cada 5 min hasta alcanzar 8 ppm, en
105
3 horas de tratamiento.
Ilustración 57 Experimento 7 UFC vs Tiempo
Ilustración 58 Concentración vs Tiempo
No se llegó al límite de detección obteniendo hasta 98 UFC/mL en 180, min el pH inicial
fue de 4.45 y el final de 3.97, la concentración inicial de hierro total fue de 1.57 mg/L
terminando en 1.14 mg/L, en cuanto al peróxido la inicial fue de 0.08 mg/L finalizando
en 0.38 llegando a la concentración máxima de 1.23 mg/L, el carbono orgánico total
inició en 34.69 mg/L y termino en 32.618 mg/L, degradando el 5.97 %.
Experimento 8 Foto-Fenton, pH 4, Fe2+ 1mM, H2O2 3.7 ppm cada 5 min hasta alcanzar 26 ppm, en
106
2 horas de tratamiento.
Ilustración 59 Experimento 6 UFC vs Tiempo
Ilustración 60 Experimento 6 Concentración vs Tiempo
Se contaron después del tratamiento 220 UFC/mL en 120 min, la acumulación de
energía solar fue de 4.885 kJ/L, el pH inicial fue de 4.16 y finalizó en 3.08, no hubo
presencia de peróxido, la concentración del hierro total inicial fue de 45.44 mg/L y
terminó en 10.40 mg/L, el COT inicial fue de 28.720 y terminó en 14.545 mg/L
degradando un 49.35 % de COT.
Experimento 9 Fotocatálisis, pH 7, TiO2 2 mg/L, H2O2 5 ppm cada 5 min hasta llegar a 35 ppm
107
2 horas de tratamiento.
Ilustración 61 Experimento 9 UFC vs QUV
Ilustración 62 Experimento 9 Concentración vs Tiempo
Con 5.986 kJ/L se llegó al límite de detección a los 120 min, la concentración inicial del
peróxido fue de 4.92 mg/L y al final 23.85 mg/L llegando a la concentración máxima en
26.32 mg/L, el TOC de inicio fue de 25.990 mg/L y el finalizó en 23.295 mg/L
degradando el 10.369 %.
Experimento 10 Fotocatálisis, pH7, TiO2 2 ppm, H2O2 2 ppm cada 5 min hasta alcanzar 14 ppm
2 horas de tratamiento.
108
Ilustración 63 Experimento 10 UFC vs QUV
Ilustración 64 Experimento 10 Concentración vs Tiempo
Acumulado 4.395 kJ/L de radiación solar se llegó al límite de detección a los 120 min, la
concentración máxima de peróxido se alcanzó después de los 30 min con 15.32 mg/L
inició en 2.98 mg/L y terminó en 12.23 mg/L, se removió el 8.46 % de COT el cual
comenzó en 18.69 mg/L y terminó en 26.26 mg/L.
Experimento 11
Foto-Fenton, pH 4, Fe2+ 0.08mM, H2O2 1.14ppm cada 5 min hasta alcanzar 8 ppm
2 horas de tratamiento.
109
Ilustración 65 Experimento 11 UFC vs QUV
Ilustración 66 Experimento 11 concentración vs Tiempo
El proceso inició a un pH de 4.30 y finalizó en 4.13, se alcanzó el límite de detección a
los 45 min de tratamiento, la concentración de hierro total inicial 1.83 mg/L y concluyó
en 1.03 mg/L, la concentración de peróxido fue de -0.13 mg/L al inició y terminó en 1.03
mg/L alcanzando la máxima concentración después de 30 min en 1.28 mg/L, el COT
inicial fue de 31.320 mg/L y finalizó en 23.754 mg/L, degradando el 24.15%.
4.6 Comparación de tratamientos
El proceso foto-Fenton y Fotocatálisis mostraron diferentes resultados para los cuales
se realizaron gráficos y tablas comparativas para seleccionar el mejor de los
tratamientos.
110
4.6.1 foto-Fenton
Ilustración 67 Comparación de tratamientos con foto-Fenton
Tabla 33 Comparación de tratamientos foto-Fenton
[H2O2] [Fe2+] UFC/mL % Rem TOC mg/L QUV (kJ/L) Tiempo (min)
18 ppm 0.16 mM LD 29.82% 6.201 90
23 ppm 0.40 mM LD 25.44% 6.445 120
26 ppm 1 mM 220 49.35% 4.885 120
Los resultados obtenidos en el proceso Fenton/Foto-Fenton muestran que el mejor
tratamiento se obtuvo con una concentración de 0.08mM de Fe2+, 8 ppm de H2O2,
llegando al límite de detección en 45 min, con una remoción de COT del 24.15 % y con
la radiación acumulada de 5.249 (kJ/L), cabe resaltar que el tratamiento con [Fe2+] =
0.16 mM , [H2O2] de 26 ppm también llega al límite de detección a los 45 min, sin
embargo, si se hace la comparación entre ambos tratamientos, el que se seleccionó
como el mejor ahorra el 50 % de los reactivos.
4.6.2 Fotocatálisis con TiO2
111
Ilustración 68 Comparación de tratamientos con Fotocatálisis
Tabla 34 Comparación de tratamientos con Fotocatálisis
[H2O2] [TiO2] UFC/mL % Rem TOC mg/L QUV (kJ/L)
Tiempo (min)
14 ppm 8 mg/L 3 9.688 5.43 120
35 ppm 2 mg/L LD 10.369 4.92 120
En el proceso de Fotocatálisis dos de los tres tratamientos llegaron al límite de
detección a los 120 min, el mejor tratamiento con concentraciones de 14 ppm de H2O2,
2mg/L de TiO2 con una remoción de 8.46 mg/L de COT y la acumulación de energía de
4.395 kJ/L.
112
Conclusiones
La mayor degradación se logró con el proceso foto-Fenton con un 98% de
remoción de TOC.
El tratamiento óptimo con un pH 7, el proceso de Fotocatálisis mostró una gran
ventaja ante el proceso Fenton/foto-Fenton ya que se disminuye el uso de
reactivos para el ajuste de pH y remueve el 91 % de TOC.
Ambos procesos tienen mayor eficiencia cuando se regenera el peróxido de
hidrogeno en bajas concentraciones.
En días nublados con el proceso foto-Fenton se obtiene el 84 % de degradación
mientras que con la Fotocatálisis solo se obtiene un 48 %.
Comparando los dos tratamientos foto-Fenton y Fotocatálisis se concluye que el
mejor es foto-Fenton ya que se llega al límite de detección en 45 min mientras
que en el proceso de fotocatálisis con TiO2 se alcanza a los 120 min de
tratamiento, la energía acumulada para ambos procesos es baja ya que se
requieren entre 4.395 y 5.249 (kJ/L).
Ambos procesos son recomendables para la desinfección de agua ya que
muestran resultados positivos ante la inactivación de la bacteria E. faecalis y se
ven beneficiados con la adición constante de peróxido.
El proceso fotocatalítico con TiO2 muestra ventaja al no requerir mayor número
de reactivos en el ajuste de pH, sin embrago, se requiere cielos completamente
despejados para lograr la activación de la partícula de TiO2, mientras que la
reacción Fenton se lleva a cabo con o sin presencia de luz, en el último caso no
se lleva a cabo la regeneración del catalizador por lo tanto se pierde un radical
hidroxilo.
Las concentraciones de los catalizadores en especial el TiO2 se reduce en un
alto porcentaje ya que los óptimos se encuentran entre 100 ppm.
113
Recomendaciones
Estudiar el acoplamiento de ambos procesos tanto foto-Fenton con Fotocatálisis
para lograr la inactivación de las baterías y así desinfectar el agua para consumo
humano en días nublados, ya que es una de las desventajas mostradas en este
estudio.
Proponer el diseño de una planta potabilizadora utilizando ambos procesos.
Estudiar el mecanismo de inactivación de la bacteria con ambos procesos.
Medir el factor temperatura y pH a lo largo del tratamiento para tener
conocimiento de los comportamientos de ambas variables.
Comprobar en bacterias más resistentes como huevos de Helminto y E. Coli
ambos procesos para determinar si es eficiente.
114
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