ES2365371A1 - Fotorreactor para tratamiento de aguas contaminadas. - Google Patents
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Abstract
Un fotorreactor para tratamiento de aguas contaminadas que comprende un depósito (15) que a su vez comprende: un volumen de agua contaminada (14); un conducto de entrada (18) y otro de salida (19); al menos un elemento difusor de aire (16) situado en el fondo del depósito (15); al menos un módulo (112, 212) situado en el interior del depósito (15), que comprende unas estructuras (13, 23, 33, 43) que a su vez soportan a una pluralidad de elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) en contacto con dicho volumen de agua contaminada (14), donde dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) están recubiertos de un catalizador configurado para activarse al impactar con el mismo la radiación luminosa radiada por dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41). Los elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) están dispuestos en planos paralelos horizontales con respecto a la línea de agua, y dicho al menos un elemento difusor de aire (16) está configurado para introducir burbujas de aire en dirección perpendicular a dichos planos horizontales, de forma que dichas burbujas de aire deben hacer un recorrido laberíntico al pasar entre los elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41), generando así turbulencia en dicho volumen de agua contaminada (14) y favoreciendo el contacto entre contaminante y catalizador.
Description
Fotorreactor para tratamiento de aguas
contaminadas.
La presente invención corresponde al sector
técnico del tratamiento de masas o corrientes de agua contaminadas
con compuestos conocidos como contaminantes emergentes (pesticidas,
fármacos, disruptores endocrinos, etc.) mediante el uso de
tecnologías de oxidación avanzada (AOP's).
\vskip1.000000\baselineskip
A medida que las concentraciones de
contaminantes orgánicos aumentan en la atmósfera o en las aguas,
leyes, reglamentos y directrices son cada vez más estrictos. Como
respuesta, el desarrollo de nuevos métodos respetuosos con el medio
ambiente se hace una tarea imperativa.
Entre los métodos estudiados últimamente
destacan los procesos de oxidación avanzada (AOP's del inglés
Advanced Oxidation Processes) para la eliminación de sustancias orgánicas sintéticas. Estos procesos se basan en la generación in situ de radicales altamente reactivos, como el radical OH^{\text{*}}, mediante energía solar, química o de otro tipo. Una de las características más interesantes de los AOP's radica en la potencia y capacidad del radical OH^{\text{*}} de destrucción no selectiva de un amplio abanico de sustancias químicas orgánicas.
Advanced Oxidation Processes) para la eliminación de sustancias orgánicas sintéticas. Estos procesos se basan en la generación in situ de radicales altamente reactivos, como el radical OH^{\text{*}}, mediante energía solar, química o de otro tipo. Una de las características más interesantes de los AOP's radica en la potencia y capacidad del radical OH^{\text{*}} de destrucción no selectiva de un amplio abanico de sustancias químicas orgánicas.
Entre los AOP's que en la actualidad se estudian
como sistemas de tratamiento de aguas residuales se encuentran los
procesos basados en la fotocatálisis heterogénea. Esta es una
disciplina que engloba una gran variedad de reacciones: síntesis
orgánica, hidrólisis del agua, fotorreducción, depósito de metales,
desinfección, detoxificación de agua, etc. Entre todas estas
aplicaciones, la fotocatálisis heterogénea basada en el uso de
dióxido de titanio (TiO_{2}) se ha convertido en un método
alternativo para la purificación de efluentes de aire y agua. El
dióxido de titanio se ha convertido en el fotocatalizador más
ampliamente utilizado porque es química y biológicamente inerte,
fotocatalíticamente estable, relativamente fácil de producir y usar,
capaz de funcionar como catalizador eficiente, barato y sin riesgos
para el medio ambiente y la salud humana.
La reacción fotocatalítica se inicia cuando un
electrón fotoexcitado es promovido desde la capa de valencia de un
catalizador semiconductor (SC) hasta un nivel superior, dejando un
hueco en la capa de valencia (h^{+}). Esto tiene lugar porque la
energía del fotón absorbido iguala o supera el band gap
(diferencia de energía entre la parte superior de la banda de
valencia y la parte inferior de la banda de conducción) del
fotocatalizador.
La oxidación y la reducción tienen lugar en la
superficie del fotocatalizador fotoexcitado. La recombinación entre
el electrón y el hueco en la capa de valencia ocurre a menos que
exista oxígeno para captar los electrones y formar superóxidos
(O_{2}^{\bullet -}), la forma protonada del radical
hidroperoxilo (HOO^{\bullet}) y en consecuencia H_{2}O_{2},
por lo que es importante la existencia de oxígeno u otro aceptor de
electrones durante el proceso de fotocatálisis. De lo contrario se
produciría la recombinación de los pares
electrón-hueco sin dar tiempo a que tuviera lugar la
reacción de oxida-
ción.
ción.
Los fotocatalizadores de titanio pueden ser
usados en forma de partículas individuales en suspensión o como
recubrimiento de una superficie. El uso de TiO_{2} en forma de
fino polvo suspendido en agua contaminada proporciona una gran
superficie disponible pero presenta un gran inconveniente, su
recuperación tras el tratamiento. Las configuraciones de superficies
recubiertas eliminan la necesidad de filtración posterior al
tratamiento para recuperar o eliminar el catalizador del efluente
tratado pero, normalmente, los sistemas así diseñados tienen menor
eficiencia, llegando a reportar reducciones de entre el
60-70% en la eficacia del catalizador inmovilizado
comparado con tratamientos con catalizador suspendido (Kabra, K.
et al, 2004).
Para la implementación industrial de los
procesos de fotocatálisis avanzada es necesaria la utilización de un
fotorreactor; dispositivo en el cual tanto los fotones como los
reactantes están en contacto con el fotocatalizador. Una vez
transcurrida la reacción dentro de este reactor, este permite
recoger el agua tratada.
Los fotorreactores difieren significativamente
de los reactores químicos tradicionales en su geometría física; ya
que de ésta depende en gran medida que los fotones se introduzcan y
utilicen de forma eficiente.
Existen varios factores importantes a la hora de
diseñar un reactor fotocatalítico dado que la necesidad de utilizar
un catalizador sólido complica el proceso con respecto a los
procesos químicos convencionales. En este tipo de reactores es
evidente que, además de tener que conseguir un buen contacto entre
los reactivos y el catalizador (elevada área superficial de
catalizador por unidad de volumen del reactor), es igualmente
necesario lograr una exposición eficiente del catalizador a la luz
útil para el proceso (distribución óptima de luz dentro del
reactor). Además hay que considerar los parámetros convencionales
tales como distribución de flujo, mezclado e interacción entre
reactivos y catalizador, transferencia de masa, etc. juegan un papel
muy importante en el desarrollo del proceso.
\newpage
Los criterios en los que se basa el diseño de
reactores para tratamiento de aguas mediante fotocatálisis
heterogénea, utilizando TiO_{2} como catalizador fijado en
superficies, se pueden clasificar en cuatro grupos atendiendo a la
optimización de los principales factores a tener en cuenta. Estos
factores son el propio proceso de fotocatálisis, la eficiencia
energética del proceso, la inversión requerida y los gastos de
operación y la posibilidad de ser escalado.
Dentro de las configuraciones con el catalizador
en recubrimiento, se pueden distinguir los fotorreactores de soporte
suspendido y los de soporte fijo. Entre los soportes en suspensión
se encuentran distintos materiales y distintas formas, como anillos
o esferas. En cuanto a los soportes fijos se han encontrado muy
diversas configuraciones, como tubos de vidrio recubriendo a la
fuente de iluminación, estructuras monolíticas o discos
rotatorios.
Hasta la actualidad varios reactores han sido
propuestos de cara a su escalado industrial, sin embargo no se
conoce el uso extendido de ninguno de ellos en las plantas de
tratamiento de aguas residuales o de potabilización.
Estos reactores se deben evaluar en función de
su rendimiento en el proceso fotocatalítico, teniendo en cuenta
parámetros de eficiencia de la reacción: eficiencia fotónica,
energética, económica, etc. Los principales problemas que se han
encontrado al respecto ("A review of intensification of
photocatalytic processes", Tom Van Gerven et al., Chemical
Engineering Processing 46 (2007) 781-789) radican
en:
- \bullet
- Baja eficacia de la iluminación (limitaciones en la transferencia de fotones).
- \bullet
- Contacto limitado entre el catalizador activado y los reactivos (limitaciones en la transferencia de masa).
\vskip1.000000\baselineskip
El primer problema afecta directamente a la
eficiencia energética y fotónica. Una vez que el catalizador es
activado por la luz incidente, se debe lograr maximizar el contacto
entre el catalizador y los reactivos en el fluido a procesar. El
grado de optimización en la transferencia de masa se cuantifica de
forma mayoritaria mediante la cantidad de área superficial por
unidad de volumen de reactor, pero habitualmente este parámetro no
es suficiente, ya que no refleja la facilidad de las partículas de
contaminante de alcanzar la superficie del catalizador.
Existen otros problemas que, aunque tomados
individualmente contribuyen menos sustancialmente al rendimiento
global del fotorreactor, tomados de forma global sí que repercuten
en el rendimiento y por lo tanto deben ser tenidos en cuenta en la
etapa de diseño del fotorreactor. Entre ellos podemos citar:
- \bullet
- Optimización de la eficiencia de luz incidente; relacionado con la eficacia en la conversión de energía de activación en luz así como minimización del consumo energético de la fuente de luz.
- \bullet
- Mejora de la activación del catalizador; relacionado con el dopaje del catalizador para aumentar su actividad o cambio de la longitud de onda de activación del mismo (del espectro UV al visible) y prevención de la desactivación del catalizador.
- \bullet
- Favorecimiento de la adsorción de los reactantes al catalizador (recubriendo un soporte poroso con el catalizador).
- \bullet
- Favorecimiento de la desorción de los productos de reacción del catalizador (mediante ultrasonidos, por ejemplo).
\vskip1.000000\baselineskip
Para solucionar estos problemas se han diseñado
diversos tipos de reactores, entre los cuales se pueden destacar los
propuestos por las siguientes patentes:
La patente europea EP0401884-B1
propone un reactor tubular que contiene en su interior la lámpara
que provee de los fotones necesarios, protegida por una camisa que
conforma la pared interna del tubo. Este reactor no está provisto de
un sistema de refrigeración, sino que el control de la temperatura
se realiza a través de la recirculación del líquido a tratar. En
este reactor el catalizador dióxido de titanio es empleado como
polvo en suspensión.
Otro reactor del tipo tubular es el que se
presenta en la solicitud de patente internacional
WO9737936-A1, el cual está comprendido por al menos
un conducto de entrada y uno de salida, un medio de conducción de la
luz y una fuente de radiación UV. En este fotorreactor el medio de
conducción de la luz es, preferiblemente, un tubo de cuarzo o vidrio
de borosilicato hueco, o mejor aún por una lámpara tubular
recubierta con el catalizador. El agua circula rodeando estos tubos
conductores de luz.
Con el objetivo de paliar las limitaciones de
transferencia de masa, se ha tendido al desarrollo de nanorreactores
o reactores con nanoconductos como el que se presenta en la
solicitud de patente estadounidense
US2010/0003169-A1 el cual consiste en una cámara de
reacción que comprende un elemento perforado que actúa de soporte de
unas partículas fotocatalíticas móviles (formadas por TiO_{2}) y
de un sistema de aireación que inyecta burbujas de aire que
mantienen en agitación las partículas móviles. A través de los
orificios penetran unos tubos de vidrio, los cuales contienen
lámparas de radiación ultravioleta, la cual activa el TiO_{2}
contenido en las partículas fotocatalíticas. El papel que desempeña
el aire inyectado en este reactor es el de mantener en suspensión
las partículas de catalizador, mejorando así la transferencia de
masa. Sin embargo al disponerse estas partículas de forma aleatoria
en cuanto a la fuente de radiación, no se consigue una iluminación
uniforme ni eficaz.
A pesar de la existencia de un número elevado de
tipos diversos de fotorreactores, la eficiencia de la iluminación es
un factor que sigue siendo limitante en la implementación a escala
industrial de esta tecnología. Una de las medidas más relevantes
para la mejora de la eficiencia de la iluminación es la introducción
de fibra óptica. Dentro de la fibra óptica la luz se propaga
mediante el fenómeno de la reflexión al producirse impactos con las
paredes de la misma. Dependiendo del índice de refracción de la
pared de la fibra una porción de luz incidente es refractada, es
decir, es propagada hacia el exterior de la misma. En un reactor con
fibra óptica el catalizador se coloca recubriendo la cara externa de
estas fibras. La luz refractada es absorbida por el catalizador que
de esta forma es activado.
Se conocen las siguientes publicaciones en lo
relativo a fotorreactores con fibra óptica:
La patente US6051194 describe un fotorreactor en
el que la luz se propaga a través de una o más fibras ópticas de
cuarzo recubiertas con el catalizador TiO_{2}. Dichas fibras
tienen una separación determinada entre sí, y se introducen en el
interior del recipiente donde se lleva a cabo la reacción o reactor.
En las fibras se puede distinguir una zona
no-catalítica y una zona catalítica, caracterizadas
por no dejar salir la luz y por dejarla salir respectivamente. La
parte catalítica es la que se encuentra recubierta por el
catalizador e introducida en el fotorreactor. La parte no catalítica
está conectada a un equipo de generación de radiación ultravioleta,
que introduce la luz en las fibras para ser transportada hasta la
zona catalítica. Este fotorreactor, si bien mejora la eficiencia de
la iluminación respecto a otros no basados en fibra óptica, sigue
presentando importantes limitaciones en la transferencia de masa, ya
que su sistema de oxigenación introduce el flujo de aire en la
dirección longitudinal de la fibra óptica, siendo aún difícil el
contacto entre cada partícula de contaminante con el catalizador
soportado en la fibra.
La solicitud de patente estadounidense
US20080308405-A1 describe un fotorreactor para el
tratamiento de gases contaminados, especialmente con óxidos de
nitrógeno. Dicha patente describe un fotorreactor en el que una
cantidad de fibras ópticas son recubiertas con un catalizador
(TiO_{2}, ZnO, Fe_{2}O_{3} o una mezcla de estos), el cual
puede ser activado bien mediante el uso de radiación solar o
mediante radiación artificial. Las fibras dentro del reactor (que es
un depósito cerrado, con un conducto para la entrada del gas y otro
conducto para la salida del mismo) se localizan en la denominada
zona de reacción, a través de la cual se hace pasar la corriente
gaseosa contaminada para ser tratada.
En la literatura científica se han encontrado
artículos relativos a experimentaciones con reactores basados en el
uso de fibra óptica, en general sin pasar del nivel de reactor
conceptual. Wu et al. en su artículo "Application of
Optical fiber Photoractor for CO_{2} Photocatalyitic
Reduction" Top Catal (2008) describen un fotorreactor
cilíndrico en el que se disponen 216 fibras ópticas de 11 cm de
longitud. La escasa longitud de las fibras se debe a su pequeño
diámetro, siendo este de 112 \mum, mientras que en la mayor de los
fotorreactores estudiados se utilizan fibras de 600 \mum o 1 mm.
En este artículo el fotorreactor n o es empleado para la eliminación
de contaminantes orgánicos, sino para la obtención de energía a
partir de la fotorreducción del CO_{2}.
Además de los ya indicados, uno de los mayores
inconvenientes que se han detectado a la hora de trabajar con fibra
óptica es que la intensidad de luz decae exponencialmente en la
dirección del eje longitudinal de la fibra (Peill, N.J. y Hoffmann,
"Development and Optimization of a
TiO_{2}-Coated Fiber-Optic Cable
Reactor: Photocatalytic Degradation of
4-Chlorophenol", Environ. Sci. Technol. 1995, 29,
2974-2981), (Sun et al.,
"TiO_{2}-coated optical fiber bundles used as a
photocatalytic filter for decomposition of gaseous organic
compounds", Journal of Photochemistry and Photobiology A:
Chemistry 136 (2000) 111-116), (Choi et al.,
"Photocatalytic disinfection of E coli in a
UV/TiO_{2}-immobilised
optical-fibre reactor", J. Chem. Technol.
Biotechnol. 75:1145\pm1150 (2000)).
Otro parámetro que afecta a la cantidad de luz
que llega al final de la fibra óptica es el diámetro de la propia
fibra. Cuanto mayor es el diámetro menos reflexiones se producen y
por lo tanto menor es la energía refractada en cada impacto (Peill,
N.J. y Hoffmann M.R., "Chemical and Physical Characterization of a
TiO_{2}-Coated Fiber-Optic Cable
Reactor", Environ. Sci. Technol. 1996, 30,
2806-2812), (Danion, A. et al.,
"Characterization and study of a
single-TiO_{2}-coated optical
fiber reactor", Applied Catalysis B: Environmental 52 (2004)
213-223) y (Lin, H. y Valsaraj, K.T., "An Optical
Fiber Monolith Reactor for Photocatalytic Wastewater Treatment",
AIChE Journal June 2006 Vol. 52, No. 6 2271-2280).
El número de reflexiones que se producen también depende del ángulo
de incidencia de la luz al ser introducida en la fibra óptica,
cuanto más paralelos al eje axial, menor número de reflexiones se
producen; pero cuando no se dispone de tecnologías láser, este es un
parámetro muy difícil de controlar.
Algunos autores han confirmado que la intensidad
de luz está inversamente relacionada con la eficiencia cuántica de
las reacciones fotocatalíticas (Peill, N.J. y Hoffmann M.R.,
"Chemical and Physical Characterization of a
TiO_{2}-Coated Fiber-Optic Cable
Reactor", Environ. Sci. Technol. 1996, 30,
2806-2812) debido a la alta tasa de recombinación de
transportadores de carga a altas intensidades, por lo tanto es más
favorable una intensidad menor para minimizar esta recombinación,
pero esto, como es obvio, reducirá la activación del catalizador,
con lo que menor número de pares de cargas serán generados
disminuyendo por tanto la tasa general de reacción. Parece que las
fibras ópticas pueden sobreponerse a este problema disminuyendo la
intensidad de la luz, pero aumentando el número de fibras. No
obstante, esto redunda negativamente en el volumen de reactor
necesario para tratar los reactantes en cuestión.
\newpage
Con el objetivo de evitar los problemas
asociados a la utilización de fibra óptica, se han propuesto
alternativas, como la mostrada en la ya mencionada solicitud de
patente WO9737936-A1, que incorporan tubos
fluorescentes de diámetro reducido. De este modo se logra una
emisión de luz uniforme a lo largo de toda la capa de
catalizador.
Como han constatado anteriores investigaciones,
la utilización de finas guías conductoras de la luz (por ejemplo
fibra óptica) como medio conductor de la radiación ultravioleta
ayuda a superar las limitaciones relacionadas con la eficiencia de
la iluminación. Sin embargo, en cuando a las limitaciones de
transferencia de masa, aún no se conocen configuraciones que sean
capaces de superarlas eficientemente.
\vskip1.000000\baselineskip
Con la presente invención se tratan de paliar
los problemas detectados en anteriores diseños y citados en el
apartado anterior, mediante una configuración innovadora basada en
la disposición de los elementos portadores o emisores de luz que es
capaz de reducir los problemas asociados a la transferencia de masa.
Más concretamente, el fotorreactor objeto de la presente invención
utiliza elementos radiantes o emisores de luz capaz de activar un
fotocatalizador, dispuestos según una configuración específica tal
que, junto con el sistema de aireación, es capaz de superar las
limitaciones de transferencia de masa detectadas en fotorreactores
convencionales.
En un primer aspecto de la presente invención,
se proporciona un fotorreactor para tratamiento de aguas
contaminadas que comprende: un depósito que a su vez comprende: un
volumen de agua contaminada; un conducto de entrada y otro de
salida; al menos un elemento difusor de aire situado en el fondo del
depósito; al menos un módulo situado en el interior del depósito,
que comprende unas estructuras que a su vez soportan a una
pluralidad de elementos radiantes de luz en contacto con dicho
volumen de agua contaminada, donde dichos elementos radiantes de luz
están recubiertos de un catalizador que se activa al impactar con el
mismo la radiación luminosa radiada por dichos elementos radiantes
de luz. Los elementos radiantes de luz están dispuestos según una
configuración específica consistente en planos paralelos
horizontales con respecto a la línea de agua, y dicho al menos un
elemento difusor de aire está configurado para introducir burbujas
de aire en dirección perpendicular a dichos planos horizontales, de
forma que dichas burbujas de aire deben hacer un recorrido
laberíntico al pasar entre los elementos radiantes de luz, generando
así turbulencia en dicho volumen de agua contaminada y favoreciendo
el contacto entre contaminante y catalizador.
En una posible realización, los elementos
radiantes de luz son guías conductoras de luz. Estas guías
conductoras de luz pueden ser núcleos de fibra óptica, varillas
huecas o varillas macizas. Estas guías conductoras de luz se
alimentan a través de una pluralidad de fuentes de luz. En este
caso, las fuentes de luz se sitúan o bien en el interior del
fotorreactor, en al menos uno de los laterales de dichas estructuras
para soportar dichos elementos radiantes de luz, o bien en el
exterior del fotorreactor, transmitiéndose la luz emitida hacia las
guías conductoras de luz a través de fibra óptica. Las fuentes de
luz pueden situarse en al menos dos laterales de las estructuras
para soportar dichos elementos radiantes de luz.
En otra posible realización, los elementos
radiantes de luz son lámparas de descarga de diámetro reducido, como
lámparas fluorescentes o lámparas de LEDs.
En una realización particular, el fotorreactor
comprende un único módulo situado en el interior del depósito, que
ocupa toda la planta del mismo, comprendiendo el fotorreactor medios
para hacer circular verticalmente el agua, bien en sentido
ascendente o descendente.
Preferentemente, el catalizador utilizado es
TiO_{2}, y la luz emitida por dichos elementos radiantes de luz es
radiación ultravioleta.
Preferentemente, cada uno de los planos
paralelos horizontales con respecto a la línea de agua en los que
están dispuestos dichos elementos radiantes de luz está desplazado
horizontalmente con respecto a los planos inmediatos superior en
inferior.
En una realización particular, los elementos
radiantes de luz de cada uno de dichos planos paralelos horizontales
con respecto a la línea de agua en los que están dispuestos dichos
elementos radiantes de luz están dispuestos en sentido perpendicular
con respecto a los elementos radiantes de luz de planos
contiguos.
Las ventajas de la invención se harán evidentes
en la descripción siguiente.
\vskip1.000000\baselineskip
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de
las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica del mismo, y para complementar
esta descripción, se acompaña como parte integrante de la misma, un
juego de dibujos, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo. En
estos dibujos:
La figura 1 muestra un esquema general del
fotorreactor según un modo particular de realización de la
invención.
La figura 2 muestra un esquema del módulo
conformado por los elementos irradiantes y la estructura lateral
sobre la que se soportan. En este caso particular los elementos
irradiantes son guías de luz y la estructura lateral incorpora la
fuente de radiación.
La figura 3 muestra una posible configuración de
los elementos irradiantes, en la que se observan N/2 varillas (línea
continua) paralelas entre sí situadas en un mismo plano, siempre
perpendiculares al flujo de burbujas y otras N/2 varillas (línea
discontinua) situadas en otro plano, paralelas entre sí y respecto a
las del plano anterior pero desplazadas horizontalmente respecto a
dicho plano.
La figura 4 muestra N varillas distribuidas en 4
planos paralelos entre sí pero dispuestas en sentido perpendicular
entre planos contiguos. Además cada plano se encuentra desplazado
horizontalmente con respecto al plano anterior que contiene las
varillas en el mismo sentido.
\vskip1.000000\baselineskip
En este texto, el término "comprende" y sus
variantes no deben entenderse en un sentido excluyente, es decir,
estos términos no pretenden excluir otras características técnicas,
aditivos, componentes o pasos.
Además, los términos "aproximadamente",
"sustancialmente", "alrededor de", "unos", etc. deben
entenderse como indicando valores próximos a los que dichos términos
acompañen, ya que por errores de cálculo o de medida, resulte
imposible conseguir esos valores con total exactitud.
Las siguientes realizaciones preferidas se
proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean
limitativas de la presente invención. Además, la presente invención
cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares
y preferidas aquí indicadas. Para los expertos en la materia, otros
objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán
en parte de la descripción y en parte de la práctica de la
invención.
Para lograr una correcta eliminación de
contaminantes mediante fotocatálisis en un volumen de agua es
necesario optimizar una serie de factores tanto físicos como
químicos. Algunos de ellos son relativamente fáciles de controlar,
como la temperatura, el tiempo de retención, etc. pero no ocurre lo
mismo con el suministro eficiente de luz al catalizador, el cual es
uno de los más difíciles de controlar, ni con la transferencia de
masa. En cuanto a los fotorreactores con el catalizador en
recubrimiento, estos suponen una interesante alternativa ya que
evitan una fase posterior de separación del catalizador, frente a
los reactores que presentan este compuesto en suspensión. Esta fase
no sólo añade dificultad al proceso, sino que supone un coste
económico adicional. Dentro de los reactores con el catalizador en
recubrimiento, el soporte puede encontrarse en suspensión o fijo.
Como se describe a continuación, en el fotorreactor de la presente
invención se ha optado por un soporte fijo, ya que de lo contrario
el catalizador no recibe siempre la misma cantidad de luz, al
encontrarse el soporte en movimiento de forma aleatoria. Este
soporte lo constituyen unos elementos capaces de emitir, radiar o
irradiar luz. Los elementos capaces de emitir, radiar o irradiar luz
pueden ser unas guías conductoras de luz que pueden ser huecas o
macizas, y han de ser de un material tal que permita la propagación
de la radiación luminosa capaz de activar el catalizador (por
ejemplo, ultravioleta) a través del mismo mediante una sucesión de
reflexiones y refracciones, de modo que en cada impacto de un haz de
luz con la interfase guía-catalizador, una porción
de radiación salga de la guía. Como ejemplo, estas guías conductoras
de luz pueden ser varillas macizas o huecas de cuarzo o de otros
tipos de vidrio, o bien materiales similares como hebras de núcleo
de fibra óptica, aunque sin sentido limitativo, ya que también
pueden tratarse de otros materiales. Alternativamente, los elementos
capaces de emitir o radiar luz pueden ser unas lámparas (por ejemplo
lámparas de descarga, como lámparas fluorescentes o lámparas de
LEDs). A partir de ahora, en este texto a los "elementos capaces
de emitir, radiar o irradiar luz" se los denomina "elementos
radiantes de luz".
Los elementos radiantes de luz (guías,
lámparas...) se encuentran ordenados en planos horizontales,
pudiendo encontrarse dispuestos en la misma dirección entre los
distintos planos o no. Cuando se disponen en la misma dirección, la
situación dentro de cada plano no coincide con la del plano anterior
ni con la del plano posterior. Cuando no se disponen de forma
paralela, se puede formar una estructura tridimensional tipo malla o
red entre los diferentes planos, en la que la forma de la luz de
malla puede adoptar formas cuadradas, rectangulares, triangulares,
etc. Dichas guías o lámparas se encuentran sumergidas en el volumen
de agua contaminada a tratar.
En este texto, se describe un fotorreactor que
comprende un depósito, tanque o contenedor que a su vez contiene al
menos un módulo que está compuesto por elementos radiantes de luz
(como guías conductoras de luz o lámparas), y una estructura que
soporta dichos elementos. Por simplicidad, a lo largo de este texto
en ocasiones el "fotorreactor" es denominado "reactor",
debiendo entenderse que ambos términos se refieren al mismo
concepto. El reactor que se describe es capaz de eliminar una gran
gama de contaminantes en el agua, principalmente los denominados
contaminantes emergentes (pesticidas, fármacos, disruptores
endocrinos, etc.), aunque sin sentido limitativo, ya que la
fotocatálisis heterogénea es una técnica no selectiva.
El fotorreactor comprende además un sistema de
aireación, cuyo funcionamiento se basa en la inyección de aire desde
el exterior del fotorreactor a través de un compresor, soplante o
cualquier otro elemento capaz de suministrar aire. A través de
elementos difusores, el aire es inyectado en el interior del
fotorreactor en forma de burbujas que circulan en dirección
perpendicular a la dirección longitudinal de los elementos radiantes
de luz, de modo que en su ascenso a través del fluido a tratar,
chocan con estos elementos radiantes de luz, comprimiendo la capa
límite entre el líquido y el catalizador, mejorando la transferencia
de masa. Por otra parte, la disposición específica de los elementos
radiantes de luz en diferentes planos desplazados entre sí, obliga a
las burbujas a describir un recorrido laberíntico mejorando el
contacto contaminante-catalizador.
Por otra parte, la introducción de oxígeno, como
parte de este burbujeo, mejora el rendimiento de la reacción, ya que
reacciona con los electrones disponibles procedentes de la
excitación del catalizador (preferentemente TiO_{2}), evitando la
aparición de procesos de recombinación.
La figura 1 muestra una posible implementación
del fotorreactor de la invención. El fotorreactor comprende un
depósito, tanque, contenedor o cámara de reacción 15 que a su vez
comprende un volumen de un fluido contaminado o agua a tratar 14. En
el interior del depósito 15 se alojan uno o más módulos o
estructuras portantes 112. Estos módulos 112 están compuestos por
unas estructuras (estructuras verticales o estructuras laterales) 13
que sirven para soportar los elementos radiantes de luz (guías,
lámparas...) 11 y por dichos elementos radiantes de luz 11. Estos
elementos radiantes 11 están recubiertos de un catalizador. En el
caso de que los elementos radiantes 11 sean lámparas, el catalizador
puede recubrirlas a ellas directamente o recubrir a una
"camisa" exterior que a su vez cubre a las lámparas.
Preferentemente se utiliza como catalizador un óxido de titanio, más
preferentemente dióxido de titanio TiO_{2} o variaciones del
mismo. Alternativamente puede usarse otro tipo de catalizadores.
En la implementación de la figura 1, los
elementos radiantes de luz 11 son guías conductoras de luz. Esas
guías conductoras de luz deben ser de un material y configuración
tal que permitan la propagación de la radiación luminosa (por
ejemplo, ultravioleta) -capaz de activar el catalizador- a través de
la propia guía, mediante una sucesión de reflexiones y refracciones,
de modo que en cada impacto de un haz de luz con la interfase
guía-catalizador, una porción de radiación salga de
la guía. Es decir, en cada uno de estos impactos, parte de la
radiación es reflejada y parte es transmitida al exterior de la
guía, activando el catalizador que se encuentra recubriendo a la
guía de luz. Por esta razón, los elementos que estamos llamando
"guías conductoras de luz" actúan también como "elementos
radiantes de luz". Es decir, no es válida cualquier "guía
conductora de luz". Ejemplos no limitativos de estas posibles
guías conductoras de luz que actúan como elementos radiantes de luz
11 son: hebras de núcleo de fibra óptica (es decir, fibra óptica a
la que se ha desprovisto de la cubierta, de forma que la luz ya no
va confinada en su interior), varillas huecas o macizas de un
material, como cuarzo, otros tipos de vidrio o materiales
similares., etc. Este listado no es limitativo, ya que otros
materiales pueden formar estas guías conductoras de luz, siempre y cuando actúen como elementos radiantes de luz.
materiales pueden formar estas guías conductoras de luz, siempre y cuando actúen como elementos radiantes de luz.
En la implementación de la figura 1, cada
estructura lateral 13 comprende una pluralidad de fuentes de
radiación 12 (por ejemplo, LEDs). Alternativamente, es posible
incorporar fuentes de radiación 12 en una sola de las dos
estructuras laterales 13. Preferentemente se usa una pluralidad de
fuentes de radiación 12 en cada estructura lateral 13 por la
siguiente razón: dentro del diseño de fotorreactores basados en el
uso de guías conductoras de luz, una de las principales limitaciones
que se han encontrado es la escasa distancia a través de las cuales
es capaz de propagar la luz. En el caso del uso de fibra óptica,
cuando ésta se halla protegida por sus cubiertas habituales, es
posible propagar la luz a largas distancias. Sin embargo, cuando
estas cubiertas se sustituyen por un recubrimiento como el de
dióxido de titanio, las reflexiones que se producen en el interior
pasan de ser totales a parciales, por lo que la intensidad de luz
transportada decae con la distancia. Para superar esta limitación,
el fotorreactor de la presente invención, cuando sus elementos
radiantes de luz 11 son guías conductoras de luz, preferentemente
incorpora un sistema de iluminación bilateral, es decir, la luz se
introduce en la guía no sólo por uno de sus extremos, sino por los
dos, consiguiéndose así una longitud de guía mayor del doble de lo
conseguido hasta el momento.
Las fuentes de radiación 12 pueden introducirse
en el volumen de fluido a tratar 14, aislándose de forma hermética,
o pueden quedar fuera del depósito 15, conectándose a las guías
conductoras de luz 11 a través de un medio de transmisión, por
ejemplo fibra óptica.
La figura 2 ilustra una posible implementación
de un módulo o estructura portante 212. Este módulo 212 comprende
unos elementos radiantes de luz 21 (que en la implementación
ilustrada son guías conductoras de luz) y las dos estructuras
laterales (o estructuras verticales) 23 sobre las que se soportan.
Como en este caso particular los elementos radiantes son guías de
luz, cada estructura lateral incorpora las fuentes de radiación
22.
En el caso de que los elementos radiantes de luz
11 son lámparas de descarga (en vez de guías portadoras de luz), los
módulos o estructuras portantes 112 no necesitan incorporar fuentes
de luz (LEDs, diodos láser, etc.). Las lámparas pueden ser lámparas
de descarga como, por ejemplo, lámparas fluorescentes de diámetro
reducido.
El fotorreactor (figura 1) comprende además un
sistema de aireación, cuyo funcionamiento se basa en la inyección de
aire desde el exterior del fotorreactor a través de un compresor,
soplante o cualquier otro elemento capaz de suministrar aire 17. En
concreto, en el fondo del depósito 15 se sitúa al menos un elemento
difusor de aire 16, que proporciona oxígeno y como se explica más
adelante, contribuye a airear, mezclar y homogeneizar el fluido que
se desea tratar. Preferentemente se utiliza una pluralidad de
elementos difusores 16.
Además, el depósito 15 tiene un conducto de
acceso para el fluido entrante 18 y un conducto de desalojo para el
fluido saliente 19. El fluido a tratar 14 se introduce de manera
continua o discontinua en el reactor a través de un conducto de
entrada 18, de forma que la dirección del flujo sea perpendicular a
la dirección longitudinal de los elementos 11213141 (guías
conductoras de luz, lámparas...).
El tanque o depósito 15 puede tener uno o más
módulos 112 212. En el caso de que haya una pluralidad de módulos
112 212, éstos pueden estar dispuestos o bien en horizontal (es
decir, que haya varios módulos pero que entre el fondo del depósito
15 y la superficie del mismo solo haya un módulo), o bien en
vertical (es decir, que haya varios módulos, todos ellos en la misma
vertical entre el fondo del depósito 15 y la superficie del mismo),
o bien tanto en horizontal como vertical.
Los elementos radiantes de luz 11 emiten la
radiación (que es radiación ultravioleta en el caso de que el
catalizador sea TiO_{2}, ya que la radiación ultravioleta es la
que es capaz de excitar a dicho catalizador) que en el caso de guías
conductoras es introducida mediante una fuente, por ejemplo LEDs, y
se propaga a lo largo de las mismas mediante una sucesión de
reflexiones que se producen al impactar el haz ultravioleta con la
interfase guía-catalizador. En cada uno de estos
impactos, parte de la radiación es refractada, activando el
catalizador que se encuentra recubriendo a la guía de luz. En el
caso de que los elementos radiantes de luz 11 sean lámparas, éstas
emiten radiación ultravioleta (UV) en el caso de que el catalizador
sea TiO_{2}.
En relación con las figuras 3 y 4 se describen
en planta posibles disposiciones de los elementos radiantes de luz
11 21 31 41 en el módulo. Estos elementos 11 21 31 41 (guías o
lámparas) se pueden disponer paralelos entre sí o formando
estructuras tridimensionales similares a "redes o mallas".
En la figura 3, se observan N elementos 31
(guías (por ejemplo varillas o núcleos de fibra óptica) o lámparas),
de los cuales hay: N/2 elementos (línea continua) paralelos entre sí
situados en un mismo plano, siempre perpendiculares al flujo de
burbujas y otros N/2 elementos (línea discontinua) situados en otro
plano, paralelos entre sí y respecto a los del plano anterior pero
desplazados horizontalmente respecto a dicho plano. Los elementos
radiantes se encuentran soportados por las estructuras laterales 33.
La configuración de la figura 3 esquematiza la vista en planta del
módulo 212 de la figura 2.
En la figura 4, se observan N elementos 41
(guías (varillas o núcleos de fibra óptica) o lámparas) distribuidos
en 4 planos paralelos entre sí, estando los elementos dispuestos en
sentido perpendicular entre planos contiguos. Los elementos
radiantes 41 se encuentran soportados por las estructuras laterales
43. Además cada plano se encuentra desplazado horizontalmente con
respecto al plano anterior que contiene los elementos en el mismo
sentido. Dicho con otras palabras, hay: N/4 elementos paralelos
entre sí en un mismo plano horizontal, otros N/4 elementos en
sentido perpendicular a los del plano anterior en un mismo plano
paralelo al anterior, otros N/4 elementos paralelos entre sí y a los
del primer plano en un mismo plano paralelo a este pero desplazado
horizontalmente y otros N/4 elementos paralelos entre sí y a los del
segundo plano en un mismo plano paralelo a este pero desplazado
horizontalmente. Esta configuración es la que, vista en planta, da
la impresión visual de formar "redes o mallas" (que en realidad
no son tales porque no hay coincidencia planar entre elementos
dispuestos en perpendicular o formando otro ángulo).
Como alternativa a los ejemplos de las figuras 3
y 4, se pueden implementar otras variantes: Por ejemplo, como
alternativa al ejemplo de la figura 4, los elementos que en la
figura 4 están dispuestos en sentido perpendicular entre planos
contiguos pueden estar dispuestos formando un determinado ángulo
diferente de 90º. En otras posibles alternativas, pueden incluirse
planos de elementos dispuestos tanto perpendicular como formando un
ángulo diferente de 90º, bien en planos contiguos o en planos no
contiguos.
Como ya se ha indicado, estas configuraciones
obligan a las burbujas emitidas por los elementos difusores 16 a
hacer un recorrido laberíntico al pasar entre los elementos
radiantes de luz. Esta turbulencia contribuye a disminuir la capa
límite: la reacción luz-catalizador se produce en la
superficie de los elementos radiantes de luz. Para que esa reacción
sea lo más eficiente posible, ha de existir una continua renovación
de la capa de líquido inmediata a la superficie de catalizador, lo
que se llama "capa límite". La renovación de esta capa límite
se consigue al aumentar la turbulencia del fluido en el tanque, lo
que suele implicar un alto coste económico. El efecto equivalente se
consigue mediante la citada configuración del soporte del
catalizador, que obliga a las burbujas a describir un recorrido
laberíntico, lo que aumenta turbulencia. Por otra parte, el choque
de las burbujas con la superficie de catalizador comprime la citada
capa límite líquido-catalizador, lo que mejora la
transferencia de masa.
Otro aspecto importante en el diseño y
configuración del tanque y módulos con elementos radiantes de luz es
la relación entre la distancia de separación entre elementos y el
tamaño de las burbujas emitidas por los difusores. Si el diámetro de
las burbujas es muy pequeño en relación a la separación entre los
elementos, éstas circulan sin encontrar apenas obstáculos que
desvíen su dirección, es decir, no describen un recorrido
laberíntico. El tamaño de las burbujas ha de ser tal que su
recorrido ascendente a través del fluido a tratar sea obstaculizado
por los elementos radiantes portantes del catalizador, de modo que
tras el choque sean desviadas generando un flujo turbulento en el
interior del fotorreactor.
Las ventajas que presenta este reactor son:
- El volumen por unidad de superficie ocupado
por el soporte es pequeño en comparación con otros tipos de soporte
como esferas, camisas de tubos fluorescentes convencionales,
etc.
- Las partículas de agua y de contaminante y las
burbujas de aire describen un recorrido laberíntico entre las mallas
de elementos radiantes de luz, lo que mejora la transferencia de
masa.
- La presencia de las burbujas resulta
doblemente ventajosa en el desarrollo del proceso de fotocatálisis,
ya que además de inyectar el oxígeno necesario como aceptor de
electrones, mejora el contacto entre las partículas de contaminante
y el catalizador, al impactar estas burbujas contra el elemento en
el que se encuentra dicho compuesto catalizador. En cada impacto, la
capa límite entre el catalizador y el líquido que contiene las
partículas de contaminante se comprime, resultando en un mejor
contacto contaminante-catalizador.
\vskip1.000000\baselineskip
Esas ventajas se obtienen mediante el
fotorreactor de la invención, que como ha podido apreciarse, mejora
a los descritos en el estado de la técnica. De estos, ninguno
incluye depósitos para líquidos contaminados con elementos
horizontales y difusores que inyecten burbujas de forma
perpendicular. Incluso alguna propuesta anterior incluye elementos
verticales, lo cual provoca el efecto contrario al que se obtiene
con el fotorreactor de la invención: Mientras que el objetivo de la
presente invención es que cada burbuja choque con los elementos
radiantes de luz, el citado fotorreactor convencional provoca el
rápido desalojo las burbujas hacia la superficie del tanque. Además,
ninguna de las propuestas conocidas plantea una configuración
especial del orden de esos elementos radiantes o irradiantes de
luz.
A continuación se proporciona un ejemplo
concreto de implementación del fotorreactor descrito en este texto,
el cual no pretende ser limitativo de su alcance.
Se describe un ejemplo de realización de una
planta piloto del proceso descrito, en el cual el soporte está
constituido por hebras de núcleo de fibra óptica, las cuales se
recubren con una película del catalizador TiO_{2} mediante el
método dip coating. Dicho método consiste en la inmersión del
soporte en una dispersión que contiene las nanopartículas de dióxido
de titanio y su posterior extracción a una velocidad constante.
Dichas hebras de núcleo de fibra óptica se encuentran situadas en
planos horizontales y paralelos con respecto a la línea de agua,
dispuestas también en dirección paralela a las hebras de los planos
contiguos. Cada plano se encuentra desplazado horizontalmente
respecto al anterior, de modo que las hebras de un plano no se
sitúan exactamente encima o debajo de una hebra de un plano
contiguo. La vista del perfil del módulo muestra una disposición al
tresbolillo de las hebras.
Las características físicas de las hebras de
núcleo de fibra óptica son las siguientes:
- \bullet
- Material: sílice (SiO_{2}).
- \bullet
- Diámetro: 1 mm.
- \bullet
- Longitud: 400 mm.
\vskip1.000000\baselineskip
Los extremos de las hebras de fibra óptica se
encuentran fijados a unas estructuras laterales rígidas. Estas
estructuras contienen a su vez las fuentes de iluminación
consistentes en dispositivos LEDs con un espectro de emisión de 370
a 380 nm. La función de dichos dispositivos es aportar la radiación
necesaria que, tras ser conducida por el interior de la fibra
óptica, activa el catalizador. El conjunto de estos elementos
conforma el módulo, que es extraíble del tanque de reacción. Las
dimensiones del módulo son 400*400*200 mm, con 200 hebras de núcleo
de fibra óptica dispuestas en 10 planos paralelos que contienen 20
hebras cada uno. Cada plano horizontal dista 10 mm del plano
contiguo, medido en dirección perpendicular al mismo. Cada plano
está desplazado horizontalmente con respecto al plano anterior, de
forma que la vista del perfil muestra una disposición al
tresbolillo.
Este módulo se introduce en un tanque de
reacción de dimensiones 460*530*260 mm, el cual cuenta con un
conducto de entrada del agua a tratar y un conducto de desalojo del
agua tratada. En el fondo del reactor se disponen los elementos
difusores (tubos perforados) que inyectan el aire en forma de
burbuja gruesa (4 mm). El sistema de aireación cuenta con un
compresor, un rotámetro y tubos perforados distribuidos de forma
homogénea en toda la planta del tanque. El caudal aportado fue de
4,5 L/min.
El prototipo propuesto puede ser operado
mediante alimentación continua o secuencial (batch).
Claims (14)
1. Un fotorreactor para tratamiento de aguas
contaminadas que comprende:
- -
- un depósito (15) que a su vez comprende:
- -
- un volumen de agua contaminada (14);
- -
- un conducto de entrada (18) y otro de salida (19);
- -
- al menos un elemento difusor de aire (16) situado en el fondo del depósito (15);
- -
- al menos un módulo (112, 212) situado en el interior del depósito (15), que comprende unas estructuras (13, 23, 33, 43) que a su vez soportan a una pluralidad de elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) en contacto con dicho volumen de agua contaminada (14), donde dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) están recubiertos de un catalizador configurado para activarse al impactar con el mismo la radiación luminosa radiada por dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41),
estando el fotorreactor caracterizado por
que dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) están
dispuestos en planos paralelos horizontales con respecto a la línea
de agua, y dicho al menos un elemento difusor de aire (16) está
configurado para introducir burbujas de aire en dirección
perpendicular a dichos planos horizontales, de forma que dichas
burbujas de aire deben hacer un recorrido laberíntico al pasar entre
los elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41), generando así
turbulencia en dicho volumen de agua contaminada (14) y favoreciendo
el contacto entre contaminante y catalizador.
\vskip1.000000\baselineskip
2. El fotorreactor de la reivindicación 1, donde
dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) son guías
conductoras de luz.
3. El fotorreactor de la reivindicación 2, donde
dichas guías conductoras de luz son núcleos de fibra óptica.
4. El fotorreactor de la reivindicación 2, donde
dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) son varillas
huecas.
5. El fotorreactor de la reivindicación 2, donde
dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) son varillas
macizas.
6. El fotorreactor de cualquiera de las
reivindicaciones 2-5, donde dichas guías conductoras
de luz se alimentan a través de una pluralidad de fuentes de luz
(12, 22).
7. El fotorreactor de la reivindicación 6, donde
dicha pluralidad de fuentes de luz (12, 22) se sitúa en el interior
del fotorreactor, en al menos uno de los laterales de dichas
estructuras (13, 23, 33, 43) para soportar dichos elementos
radiantes de luz (11, 21, 31, 41).
8. El fotorreactor de la reivindicación 6, donde
dicha pluralidad de fuentes de luz (12, 22) se sitúa en el exterior
del fotorreactor, transmitiéndose la luz emitida hacia las guías
conductoras de luz a través de fibra óptica.
9. El fotorreactor de la reivindicación 6, donde
dicha pluralidad de fuentes de luz (12, 22) están situadas en al
menos dos laterales de dichas estructuras (13, 23, 33, 43) para
soportar dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41).
10. El fotorreactor de la reivindicación 1,
donde dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) son
lámparas de descarga.
11. El fotorreactor de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende un único módulo (112,
212) situado en el interior del depósito (15), que ocupa toda la
planta del mismo, comprendiendo el fotorreactor medios para hacer
circular verticalmente el agua, bien en sentido ascendente o
descendente.
12. El fotorreactor de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el catalizador utilizado es
TiO_{2} y la luz emitida por dichos elementos radiantes de luz
(11, 21, 31, 41) es radiación ultravioleta.
13. El fotorreactor de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el cada uno de dichos planos
paralelos horizontales con respecto a la línea de agua en los que
están dispuestos dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41)
está desplazado horizontalmente con respecto a los planos inmediatos
superior en inferior.
\newpage
14. El fotorreactor de cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que los elementos radiantes de
luz (11, 21, 31, 41) de cada uno de dichos planos paralelos
horizontales con respecto a la línea de agua en los que están
dispuestos dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) están
dispuestos en sentido perpendicular con respecto a los elementos
radiantes de luz (11, 21, 31, 41) de planos contiguos.
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|---|---|---|---|
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