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XXVIII Congreso Interamericano de Ingeniera Sanitaria y AmbientalCancn, Mxico, 27 al 31 de octubre, 2002

DEGRADACIN DE DESECHOS DE LABORATORIO MEDIANTE

FOTOCATLISIS SOLAR

Lenidas A. Prez-EstradaInstituto Mexicano de Tecnologa del AguaManuel SnchezInstituto Mexicano de Tecnologa del AguaMa. Teresa LealInstituto Mexicano de Tecnologa delAguaErick R. Bandala*

Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua Ingeniero Qumico. Maestro en Qumica Orgnica. Investigadordel Instituto Mexicano de Tecnologa del Agua desde 1993. Profesor de la Divisin de Estudios de Posgradode la Facultad de Ingeniera de la UNAM. Es autor de 19 publicaciones internacionales, 6 publicacionesnacionales, 2 captulos en libro y ms de 20 informes tcnicos de investigacin, dirigido 6 tesis de licenciaturay 3 de maestra.

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 degradacin del colorante azul de metileno residual proveniente de los residuos de ladeterminacin de sustancias activas al azul de metileno mediante el proceso foto-Fenton utilizando energa

solar. Las pruebas fueron llevadas a cabo a escala banco en un colector de canal parablico compuesto (CPC),empleando tres diferentes concentraciones de catalizador. Los resultados obtenidos muestran que fue posibledegradar hasta el 90% del colorante en 30 minutos de irradiacin cuando se emplearon 40 mg/L de Fe(II) yque el empleo de 100 mg/L de catalizador gener una reaccin de degradacin tan rpida que no fue posibleseguirla y que termin con el colorante por completo en menos de 15 minutos de irradiacin. Con losresultados obtenidos se realiz una aproximacin a los costos de inversin y operacin del proceso. Losresultados obtenidos sugieren que stos no son excesivamente altos comparados con los costos de otros

procesos de tratamiento. Adicionalmente, se sugiere la posibilidad del acoplamiento de la tecnologa defotocatlisis solar con otras metodologas de tratamiento, como el tratamiento biolgico, lo que podrasignificar una abatimiento de los costos del proceso.

Palabras clave: Fotocatlisis, Proceso foto-Fenton, Degradacin de colorantes, Azul de metileno.

INTRODUCCIN

Los residuos que resultan de los procesos productivos a travs de los cuales se utilizan materias primas,energa, capital y trabajo humano para generar bienes socialmente deseables, constituyen en la actualidadsubproductos para los cuales generalmente no hay precios positivos ni mercados (Quadri, 1996).

Todos los sectores de la sociedad, desde las actividades domsticas hasta las diversas actividades industrialesy de servicios privados y pblicos, generan residuos. Los laboratorios de investigacin, incluyendo loslaboratorios de anlisis de muestras ambientales no son la excepcin. La eliminacin de los residuosgenerados durante los procesos de anlisis qumicos en muestras ambientales es una necesidad, tanto por la
mailto:[email protected]:[email protected]


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disminucin del impacto de stos sobre el ambiente, como tambin desde el punto de vista econmico. En laactualidad, la poltica nacional de residuos acuerda una importancia prioritaria a la reduccin de su generaciny peligrosidad en la fuente, en particular, mediante la adopcin de procesos productivos ms limpios. Por otrolado, la segunda prioridad es su reso, reciclado y recuperacin. La ltima prioridad es su tratamiento ydisposicin final, todo ello de manera ambientalmente adecuada. Actualmente, una parte de los residuosgenerados en los laboratorios son tratados para su reso, mientras que otra fraccin es enviada a compaasexternas de transporte y disposicin para su futuro tratamiento o confinacin. Este ejercicio esextremadamente caro y slo transfiere el problema de manos (Montuy et al., 1996).

En los laboratorios de anlisis de agua, uno de los parmetros ms comnmente realizados es ladeterminacin de residuos de detergentes mediante la tcnica de determinacin por medio de las sustanciasactivas al azul de metileno (SAAM). En este caso, una porcin alcuota de la muestra es coloreada con azul demetileno y posteriormente extrada con cloroformo para determinar la concentracin de detergentes medianteespectroscopa Ultravioleta/Visible. Este mtodo colorimtrico genera alrededor de 100 ml de residuos pormuestra con un contenido razonablemente alto de azul de metileno y trazas de cloroformo. La presencia deestos dos compuestos en el agua residual generada hace poco recomendable su tratamiento mediante, porejemplo, degradacin biolgica 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 complicacinadicional que hace de este residuo una matriz interesante para metodologas no convencionales.

Debido a que el nmero de laboratorios es bajo, la contaminacin causada por stos es consideradadespreciable. Sin embargo, la determinacin de SAAM y otras pruebas colorimtricas son pruebas de rutina,

por lo que la cantidad de residuos coloridos generados es importante. Tomando en cuenta nicamente elproblema de generacin de agua residual proveniente de las determinaciones colorimtricas incluidas en lanormatividad de anlisis de agua residual en Mxico, es posible estimar que se generan alrededor de 30 L deresiduos diarios en un laboratorio por concepto de estas pruebas. Si se considera tan solo el nmero delaboratorios acreditados para anlisis de agua en el pas (100 laboratorios), el volumen de residuos alcanzaalrededor de 3 M3diarios, esto sin considerar los laboratorios no acreditados y tomando en cuenta un lote de40 muestras al da.

Una alternativa para el tratamiento de esta clase de residuos es la fotocatlisis solar. Esta metodologa, queconsiste en aprovechar la radiacin proveniente del sol para la descomposicin de contaminantes por mediode un catalizador, ha sido ampliamente probada para la depuracin de agua residual y se considera que su

aplicabilidad es mayor al tratamiento de efluentes intermitentes con volmenes mas bien pequeos que vandesde algunos metros cbicos hasta decenas de metros cbicos al da. Los procesos de fotocatlisis solar hansido aplicados en la degradacin de contaminantes orgnicos como plaguicidas, derivados de compuestosaromticos, agua residual de la industria papelera, textil, automotrz y de alimentos generando resultadosalentadores con la ventaja de utilizar una fuente de energa ampliamente disponible en Mxico, la energasolar.

Especficamente, una aplicacin de la fotocatlisis solar es el proceso foto-Fenton. ste es una combinacindel conocido proceso de oxidacin de Fenton con perxido de hidrgeno y sales ferrosas con energalumnica. De esta manera el proceso se potencia y la eficiencia aumenta. Permite el uso de longitudes de ondadesde 300 nm hasta el visible, disminuye en rdenes de magnitud las concentraciones de Fe (II) necesarias ycon ello los costos, y mineraliza la materia orgnica eficientemente (Domenech et al., 2001).

Por estas razones se ha decidido probar esta tecnologa para su aplicacin al tratamiento de agua residual delproceso de anlisis de SAAM, usada como modelo para medir la aplicabilidad de la fotocatlisis solar en eltratamiento de residuos de laboratorio.

El objetivo de este trabajo es presentar los resultados obtenidos en la aplicacin de la fotocatlisis solar altratamiento de efluentes provenientes del proceso de anlisis qumicos en muestras ambientales.

METODOLOGA

Experimentos de irradiacin.


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Las corridas experimentales fueron llevadas a cabo utilizando el proceso foto-Fenton en un dispositivo aescala banco de coleccin solar. Este dispositivo, un concentrador de canal parablico compuesto (CPC), escapaz de concentrar hasta tres veces la radiacin global proveniente del sol. En cada corrida experimental setrataron 8 litros de agua residual generada de la prueba de determinacin de SAAM. La figura 1 muestraesquemticamente la geometra 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 laposicin respecto a la elevacin solar y tener la mayor eficiencia de coleccin de radiacin.

Se probaron tres concentraciones de Fe(II) (20, 40 y 100 mg/L) para determinar su efecto sobre la velocidadde la reaccin de degradacin manteniendo la concentracin de perxido de hidrgeno constante (5 % en

peso). Para las corridas experimentales, a los residuos del laboratorio se agreg la cantidad especfica deFe(II) y la mezcla se hizo circular por el colector solar cubierto. Despus de 10 minutos de recirculacin sinradiacin, se tom la muestra a tiempo cero, se agreg el perxido de hidrgeno y se destap el colector. Lasmezclas de reaccin fueron irradiadas durante 60 minutos alrededor del medio da solar. Con el fin de realizarun seguimiento cercano del desarrollo del proceso se tomaron muestras cada 10 minutos, mismas que fueronanalizadas para determinar su concentracin de azul de metileno.

La determinacin de azul de metileno en las muestras fue llevada a cabo inmediatamente despus que fuerontomadas stas para prevenir variaciones en la concentracin debidas al proceso Fenton residual, en unespectrofotmetro de arreglo de diodos HP 8452A a 652 nm.

BOMBA

AGITADOR

COMPUTADOR

TANQUE

REACTORRADIACION SOLARPYRANOMETRO

COLECTOR

REACTOR

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


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Evaluacin de la radiacin solar

La radiacin solar es un parmetro esencial para la correcta interpretacin de los datos obtenidos duranteexperimentos fotocatalticos en fotocatlisis solar. La radiacin global hemisfrica fue determinada sobre unasuperficie horizontal utilizando un piranmetro (LI-200SA) capaz de medir entre 0.2 y 3.2 m. Este valorcorresponde a la cantidad de radiacin solar proveniente de todas direcciones en el cielo, la cual incluye laradiacin dispersa por la atmsfera.

La cantidad de radiacin proveniente del sol puede variar durante el transcurso de un experimento, por lo quea partir de estos datos y su variacin en funcin del tiempo, se calcul la cantidad real de energa entrante alsistema y con ello la cantidad de energa acumulada recibida en cada corrida experimental. Para este clculose emple la ecuacin propuesta por Blanco et al. (2000), con el uso de la ecuacin (1) es posible lacombinacin de los datos colectados durante experimentos de varios das de duracin as como tambin sucomparacin con otros experimentos fotocatalticos.

tot

cnnnn

V

AGtQQ += 1 ecuacin (1)

donde tnes el tiempo experimental para cada muestra, Gnes el promedio de radiacin durante tn, Aces lasuperficie del colector, Vtotes el volumen total de agua tratada y Qnes la energa acumulada (por unidad devolumen, en kJ/L) incidente en el reactor para cada muestra tomada durante el experimento.Consecuentemente, cuando Qnes empleada, la velocidad de reaccin es expresada en trminos de mg porkJoule de radiacin incidente sobre la superficie de coleccin.

RESULTADOS Y DISCUSIN

La figura 2 muestra el comportamiento de la concentracin de azul de metileno como funcin de la energaacumulada para las corridas experimentales en las cuales se utilizaron 20 y 40 mg/L de Fe (II). Como se

observa, para ambos casos la disminucin ms importante de la concentracin de colorante se lleva a cabo enlos primeros 145 kJ/L. Para el primer caso, cuando se utilizaron 20 mg/L de Fe(II), la concentracin decolorante disminuy 80% en los primeros 95 kJ/L. En el segundo caso, la concentracin disminuy 90% en145 kJ/L energa que se acumul en unos 30 minutos de irradiacin.

Igualmente para ambos casos, despus de los primeros instantes del proceso, la disminucin de laconcentracin de azul de metileno es mucho ms lenta. En la figura 2 se muestra este comportamiento para lacorrida con 40 ppm de catalizador. Como se mencion, la concentracin de azul de metileno continadisminuyendo hasta un valor cercano a cero (degradacin > 99%) utilizando alrededor de 295 kJ/L.

Cuando se utilizaron 100 mg/L de catalizador, la disminucin de la concentracin de colorante fue tan rpidaque 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 15minutos de irradiacin.

Estos resultados permiten realizar una estimacin de los parmetros de escalamiento y los costos detratamiento de los desechos de laboratorio en cuestin. Como se mencion antes, si se fija la cantidad deresiduos provenientes de mediciones colorimtricas en alrededor de 300 L diarios, considerando laconcentracin de colorante empleada en este trabajo, la cantidad de contaminante generada ser de alrededorde 6 g/da.

De acuerdo con las consideraciones expuestas y con los resultados experimentales, la cantidad de energanecesaria para llevar a cabo la degradacin del colorante en el efluente ser de 1.18 X 105kJ/da. Los datos de


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radiacin en la localizacin de la planta debern estar disponibles para el diseo de la misma. Con el fin decontinuar el ejemplo si se pueden toman los datos de radiacin determinados en nuestro Instituto (latitud 18,longitud 99, 1532 m sobre el nivel del mar) y emplearse para estimar el tamao de la planta. Considerandoque la media diaria de radiacin en la zona es de 800 W m

-2(7 horas de luz al da) estn disponibles 2016 kJm-2 dia-1. Consecuentemente, considerando que los colectores que se emplearn tienen las mismasdimensiones que el prototipo utilizado en este trabajo, la planta de tratamiento deber tener una superficie decoleccin solar de 58 m2.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0.0 47.7 95.5 144.9 194.4 244.6 295.3

Qn (kJ/L)

Azulde

metilenoC/C

H2O2 5%, 20 mg/L Fe(III) H2O2 5%, 40 mg/L Fe(III)

Figura 2. Disminucin de la concentracin de azul de metileno como funcin de la energaacumulada.

El presente ejercicio de estimacin puede completarse con una estimacin del costo de la implementacin deuna planta para el tratamiento de residuos. El precio de mercado de colectores tipo CPC de 2.2 m2 desuperficie y tubos de 1 es de USD $ 198.00 cada uno. Considerando la superficie de coleccin necesaria, 58m2, sern necesarios 27 colectores para hacer un total de alrededor de USD $ 5,350.00 sin considerar el costodel sistema de bombeo y el almacenaje de los residuos. La cantidad de perxido necesario por corrida, deacuerdo con los resultados descritos es de 15 litros por cada 300 litros de residuo. El costo aproximado dellitro de perxido de hidrgeno al 50% en Mxico es de USD $ 0.60 por lo que sern necesarios USD$ 18.00

por lote de residuos. El costo del sulfato ferroso utilizado no ser considerado en esta estimacin pues estereactivo no sufre cambios durante el proceso y puede ser separado relativamente fcil del efluente final del

proceso por decantacin y reciclado por medio de un sistema de purgado al proceso de fotocatlisis.

CONCLUSIONESSe llev a cabo el tratamiento de agua residual, proveniente de procesos de anlisis qumico de agua omuestras ambientales, utilizando fotocatlisis solar mediante la reaccin foto-Fenton. Los resultados muestranuna estrecha relacin entre la concentracin del catalizador con la velocidad de la reaccin de degradacin, deacuerdo con lo reportado en la literatura. Fue posible llevar a cabo la degradacin completa del contaminanteutilizado como modelo en un perodo de 60 minutos (295 kJ/L) a las condiciones de irradiacin utilizadas enlas corridas experimentales. Se determin tambin que el uso de concentraciones mayores de Fe(III) generaun proceso sumamente rpido que genera agua totalmente incolora en menos de una sexta parte del tiempo.


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Se realiz el clculo de algunos parmetros para el escalamiento del proceso, as como de los posibles costosdel mismo debidos a la cantidad de reactivos empleada. Los resultados obtenidos demuestran que es posibleimplementar el proceso en cualquier localidad que reciba una relativamente alta irradiacin solar (condicionesfrecuentes en prcticamente la mayor parte de Amrica Latina) y que los costos de inversin y operacin de

proceso no son extraordinariamente altos. El ejercicio de estimacin de los parmetros de escalamiento ycostos realizado en este trabajo fue hecho considerando la completa degradacin del contaminante estudiado.Es importante puntualizar que la posibilidad de acoplamiento de la fotocatlisis solar con otros procesos deoxidacin es una posibilidad interesante que no fue tomada en cuenta. En muchos casos, es posible que un

proceso combinado tipo fotocatlisis solar- biodegradacin, por ejemplo, permita utilizar el efluenteparcialmente degradado del proceso fotocataltico como influente del proceso biolgico lo cual representarun abatimiento en los requerimientos energticos y por tanto disminucin en los costos del proceso.

Los resultados generados sugieren que la fotocatlisis solar, en particular la reaccin foto-Fenton es unaalternativa eficiente, de bajo costo y relativamente fcil de implementar para el tratamiento de residuos delaboratorios de anlisis qumicos de muestras ambientales, sobretodo de aquellos residuos resultado demezclas complejas. Sus caratersticas de caudales bajos, generacin de residuos variable y toxicidad elevada,hacen este tipo de desecho ideal para su tratamiento mediante fotocatlisis solar.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Blanco, J., S. Malato, P. Fernndez, J. Cceres, A. Campos, A. Carrin. 2000. Optimizacin de lamineralizacin fotocataltica de pesticidas en una planta solar mediante adicin de especies inorgnicas oxidantes:Aplicacin al reciclado de envases de pesticidas. Informes Tcnicos CIEMAT 923. Editorial CIEMAT. Madrid, Espaa.

Domenech, X., W.F. Jardim, M. Litter. 2001. Procesos avanzados de oxidacin para la eliminacin decontaminantes. En: M.A. Blesa (Ed.) Eliminacin de contaminantes por fotocatlisis heterognea. Editorial CYTED. La

plata, Argentina.

Motuy M. L. Ramrez, C. Durn. 1996. Tratamiento de residuos generados en la determinacin de la demandaqumica de oxgeno. Memorias del Primer Simposio Nacional sobre Residuos Peligrosos. 11 al 13 de noviembre 1996.Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Pp. 137-143.

Quadri, G. 1996. Politicas gubernamentales sobre los residuos peligrosos. Memorias del Primer SimposioNacional sobre Residuos Peligrosos. 11 al 13 de noviembre 1996. Universidad Nacional Autnoma de Mxico. Pp. 9-20.

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