ES2269134T3 - Procedimiento e instalacion para la purificacion de gases efluentes mediante fotocatalisis. - Google Patents

Procedimiento e instalacion para la purificacion de gases efluentes mediante fotocatalisis. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la purificación de efluentes gaseosos mediante una reacción fotocatalítica que incluye las etapas de: recubrir un primer sustrato y un segundo sustrato por un agente fotocatalizador, irradiando dichos sustratos con radiación ultravioleta, que hace que un efluente gaseoso fluya tangencialmente con respecto a uno de dichos sustratos recubiertos y los atraviese con respecto al otro de dichos sustratos recubiertos.

Description

Procedimiento e instalación para la purificación de gases efluentes mediante fotocatálisis.
Antecedentes de la invención
La invención se refiere a un proceso para la purificación de efluentes gaseosos por fotocatálisis. Además, se refiere a la instalación para la puesta en práctica de este proceso.
La reacción referida como la reacción fotocatalítica, también conocida como fotocatálisis, consiste en destruir los diversos contaminantes orgánicos y/o inorgánicos presentes en efluentes gaseosos y en particular, el aire mediante reacción fotoquímica, que se produce por la irradiación de un catalizador bajo rayos ultravioletas.
En esencia, la fotocatálisis se inicia activando un sólido semiconductor (fotocatalizador, tal como, por ejemplo, TiO_{2}) con radiación UV a una longitud de onda menor que 380 nanometros, que da lugar a cambios electrónicos dentro del semiconductor y llevando, en la presencia de aire o agua, a la creación de radicales que comprenden oxígeno en la superficie del semiconductor. Estos radicales atacan los compuestos orgánicos o inorgánicos absorbidos en el semiconductor y, mediante la secuencia de reacciones químicas que implican el oxígeno del aire, descomponen los compuestos hasta que se alcance la etapa final de la oxidación.
La presente invención se refiere, más particularmente, pero no de forma limitativa, a la purificación del aire. Esto es así porque el aire es capaz de comprender un gran número de contaminantes, incluyendo NO_{x}, NH3, H2S, CO, O_{3}, alquenos C2-C4, clorados o no clorados, clorometano, isooctano, benceno, tolueno, xileno, isopropilbenceno, alcoholes C1-C4 saturados, metilo mercaptano, clorofenol, nitrofenol, metil ter-butil éter, dimetoximetano, aldehidos C1-C4, acetona, ácido fórmico, ácido acético, ácido 2-metilpropanóico, cloruro de dicloroacetilo, dimetilformamida, trimetilamina, acetonitrilo, piridina, metanotiol o dimetil disulfuro.
Como ya se dijo anteriormente, se puede hacer uso en particular, pero no de forma limitativa, como agente fotocatalizador capaz de iniciar la reacción fotocatalítica, de dióxido de titanio TiO_{2} de anatasa que, activado por la luz ultravioleta, se modifica electrónicamente dando como resultado la formación de radicales de hidroxilo OH* y oxígeno O* capaces de atacar las cadenas carbonáceas orgánicas absorbidas en el TiO_{2} mediante su descomposición hasta que el carbón orgánico esté completamente convertido en dióxido de carbono. Sin embargo, es posible considerar otros agentes fotocatalizadores, tales como los dados en el grupo constituido por óxido metálico, óxidos metálicos de tierras alcalinas, óxidos metálicos de actímidos y óxidos metálicos de tierras raras.
En la práctica, los agentes fotocatalizadores están unidos a sustratos por medio de agentes ligantes, en particular sustratos no tejidos sintéticos o de fibras de celulosa o sustratos de fibra de vidrio. Dichas combinaciones, también indicadas por el término "medios de filtro" son ampliamente conocidas y difundidas, por ejemplo, en la solicitud de patente internacional del solicitante PCT/FR 99/00748.
Estos medios de filtro se pueden emplear en instalaciones para la purificación de aire mediante reacción fotocatalítica, tal como se da a conocer en el documento U.S. Pat. Nº 5.790.934. El reactor que constituye la materia de este documento presenta una pluralidad de sustratos fibrosos recubiertos con una composición fotocatalítica, cuyos sustratos, bajo radiación UV, son impactados por el efluente gaseoso que se va a purificar. Además, se especifica que la fuente de luz es sustancialmente perpendicular al sustrato fibroso.
Aun cuando este tipo de reactor es relativamente simple en su diseño, el grado de purificación del efluente gaseoso sigue siendo relativamente bajo. De este modo, a partir del ejemplo 1, se observa que el grado de conversión del formaldehído es solamente de un 65%.
Sumario de la invención
Dicho de otro modo, el problema que la invención trata de resolver es el de desarrollar un proceso para la purificación de efluentes gaseosos que sea más eficiente que los dados a conocer en la técnica anterior.
Otro problema que la invención pretende resolver es el de proporcionar una instalación para la puesta en práctica de proceso que es simple en su diseño.
Otro objetivo de la invención es dar a conocer una instalación que pueda fácilmente instalarse en zonas donde se desprende aire contaminado.
Para conseguirlo, la invención da a conocer un proceso para la purificación de efluentes gaseosos mediante una reacción fotocatalítica, según la cual, bajo la radiación ultravioleta en una sola etapa, el efluente gaseoso se somete a movimientos mediante los cuales al menos un primer sustrato es solapado y mediante el cual un segundo sustrato es atravesado, estando dichos primero y segundo sustratos cubiertos con al menos un agente fotocatalizador.
Dicho de otro modo, el proceso de la invención consiste en combinar movimientos de lapidado y penetración por el efluente gaseoso que se va a tratar de sustratos recubiertos con un agente fotocatalizador. Esto es así porque ha sido observado que dicha combinación bajo radiación ultravioleta hace posible aumentar, en gran medida, la eficacia de la purificación con respecto al movimiento de lapidado o penetración solo por el efluente gaseoso de un sustrato recubierto con agente fotocatalítico.
Según cómo se dirija el efluente gaseoso, dicho efluente producirá un recubrimiento por lapidado de los primero y segundo sustratos y a continuación, atravesará dicho segundo sustrato.
Según otra forma de realización, el efluente solamente lapidará el primer sustrato y atravesará el segundo.
Como ya se dijo anteriormente, la invención se refiere también a la instalación para la puesta en práctica de este proceso. Dicha instalación se puede designar por el término de fotoreactor.
Según una primera característica, la instalación para la purificación de efluentes gaseosos mediante una reacción fotocatalítica comprende:
Una fuente de radiación ultravioleta;
Dos cámaras concéntricas, respectivamente;
Una cámara exterior, presentando la cara interna de la pared de dicha cámara un sustrato cubierto con al menos un agente fotocatalizador;
Una cámara interior cuya pared está perforada, presentando la cara interna de dicha pared un sustrato cubierto con al menos un agente fotocatalizador;
Medios de entrada para el efluente gaseoso que se va a purificar;
Medios de salida para el efluente gaseoso purificado;
Siendo dirigido el efluente gaseoso que se va a purificar de modo que incida al menos sobre la cara interna de la pared de la cámara exterior y atraviesa la pared de la cámara interior.
En una forma de realización preferida, cada una de las cámaras exterior e interior es de forma cilíndrica.
Además, para iniciar y aumentar la velocidad de la reacción fotocatalítica, la fuente de radiación UV se suministra en la forma de por lo menos una lámpara ultravioleta tubular situada entre la pared de la cámara exterior cilíndrica y la pared de la cámara interior cilíndrica, paralela a dichas paredes.
Para permitir al efluente que se va a tratar entrar en la instalación, los medios de entrada para el efluente gaseoso están provistos en la forma de al menos una abertura insertada en una de las caras de la cámara exterior cilíndrica.
Dicha abertura está ventajosamente provista de un inyector.
En una forma de realización preferida, los medios de entrada para el efluente gaseoso están provistos en la forma de doce aberturas provistas de inyectores distribuidos uniformemente sobre una de las caras de la cámara exterior cilíndrica de modo que se obtenga una distribución uniforme del efluente gaseoso dentro de dicha cámara exterior cilíndrica.
Por el contrario, para permitir que salga el aire purificado, los medios de salida para el efluente gaseoso están provistos en la forma de por lo menos una abertura insertada en la cara opuesta de la cámara interior cilíndrica.
Para mejorar la convección del efluente gaseoso que se va a tratar, al menos una de las dos cámaras cilíndricas es impulsada por un movimiento giratorio. De esa manera el efluente que se va a tratar se desplaza tangencialmente a la pared de la cámara exterior cilíndrica según un movimiento turbulento y de este modo, de lapidado, siendo capaz simultáneamente de lapidar la pared de la cámara exterior cilíndrica y la pared de la cámara interior cilíndrica y a continuación, por último, atravesar la pared de la cámara interior cilíndrica.
En una primera forma de realización, cada una de las dos cámaras cilíndricas gira en direcciones opuestas.
En una tercera forma de realización, gira una cámara cilíndrica única.
Para poder acelerar la partida del efluente tratado, la instalación puede estar también provista de medios de succión. Se puede considerar cualquier medio de succión conocido.
Breve descripción de los dibujos
La invención y las ventajas que resultan de ella se hacen más evidentes a partir del siguiente ejemplo de realización, con el soporte de las figuras adjuntas, en las que:
La Figura 1 es una representación esquemática de la instalación según la invención
La Figura 2 es una representación esquemática de una instalación piloto para el tratamiento de un efluente gaseoso por fotocatálisis
La Figura 3 es una representación de la concentración de metanol como función del tiempo después del tratamiento en la instalación de tratamiento piloto según la Figura 2.
Las Figuras 4 y 5 muestran la influencia de la naturaleza del contacto sobre las paredes del fotoreactor del efluente gaseoso, primero sobre la capacidad de absorción del agente fotocatalizador y posteriormente, sobre la fotocatálisis.
Descripción de la invención
La instalación de la invención es también conocida como un fotoreactor.
El fotoreactor según la invención, que ha sido representado en la Figura 1, comprende una cámara exterior cilíndrica (1), presentando la cara interna de su pared (2) un sustrato recubierto con un agente fotocatalizador (3) y una cámara interior cilíndrica (4), cuya pared perforada (5) presenta, en su cara externa, un sustrato cubierto con un agente fotocatalizador (6).
En la práctica, la unión del sustrato recubierto (6) a la pared perforada (5) de la cámara cilíndrica (4) se obtiene fijando una barra fijadora a las formas adecuadas a lo largo de una generatriz de la cámara cilíndrica (4) y captando con la ayuda de juntas de dilatación circularas en cada extremo de la cámara cilíndrica (4)
La unión del sustrato recubierto (3) a la pared interna (2) de la cámara cilíndrica (1) se obtiene mediante agarre, en los labios de los cierres estancos a las fugas, de formas adecuadas de la cámara cilíndrica (1).
Las lámparas ultravioletas tubulares, que también están representadas bajo la referencia (7), están situadas en el espacio que separa la cámara exterior cilíndrica (1) de la cámara interior cilíndrica (4) paralela a su pared. En la práctica, las lámparas ultravioleta están uniformemente distribuidas a la misma distancia desde la pared de la cámara exterior cilíndrica que desde la pared de la cámara interior cilíndrica.
Para poder permitir la entrada del efluente contaminado que se va a tratar (8), las dos aberturas han sido representadas, con la referencia (9) insertadas en la cara superior (10) de las dos cámaras cilíndricas concéntricas (1, 4) próximas a la periferia de la cámara exterior cilíndrica. Además, es posible considerar varias aberturas uniformemente distribuidas próximas al borde la cámara exterior cilíndrica. Los inyectores no están representados.
Para poder permitir la salida del efluente tratado (11), se ha representado una abertura, con la referencia (12), en la cara opuesta de la cámara interior cilíndrica.
Para posibilitar la convección del efluente que se va a tratar, cada una de las dos cámaras cilíndricas es impulsada por un movimiento giratorio. En la Figura 1, las cámaras cilíndricas están representadas como siendo capaz de girar en ambas direcciones. Se deduce que la corriente de gas se desplaza con un movimiento turbulento, incidiendo sobre al menos la superficie interna de la pared de la cámara exterior cilíndrica, atravesando posteriormente el efluente gaseoso la pared de la cámara interior cilíndrica. Está dibujada una representación simplificada del recorrido (13).
Instalación piloto para tratamiento por fotocatálisis.
Una instalación piloto para tratamiento por fotocatálisis ha sido representada en la Figura 2, cuya instalación piloto comprende un fotoreactor según la invención, con la referencia (14), alimentado, en su parte superior, con una mezcla de aire (15) y de efluente gaseoso con una concentración de contaminante (16). El aire se puede humidificar ventajosamente utilizando un humidificador (17). Además, un termómetro (18) y un higrómetro (19) están provistos en el circuito. La composición del efluente antes y después de la purificación se estudia por cromatografía de gases (20).
Pruebas realizadas en la instalación de tratamiento piloto antes descrita.
El grado de eliminación de contaminantes desde un efluente gaseoso compuesto por metanol y aire, en una proporción de aproximadamente 238 ppmv de metanol, fue evaluado utilizando esta instalación de tratamiento piloto, estando la composición del efluente gaseoso representada en la tabla siguiente.
\newpage
TABLA 1 
\vskip1.000000\baselineskip
\quad
Vm (1 mol <-1>) 24,07
\quad
Ci (ppmv) 238
\quad
M (g. Mol <-1>) 32,04
\quad
d (mg 0,1 <-1>) 0,7915
\vskip1.000000\baselineskip
Vm:
volumen molar a 20ºC [L <3>]
Cl:
Concentración de metanol a la entrada del fotoreactor [M. L<-3>]
M:
masa molecular de metanol [M]
d:
Densidad de metanol [M. L <-03>]
\vskip1.000000\baselineskip
El efluente con una concentración de metanol (16) se prepara introduciendo metanol líquido en la cámara bajo una presión baja de 0,7 bares. El metanol concentrado es posteriormente diluido en aire (15), viniendo dada la humedad relativa de la mezcla obtenida por el humidificador (17). El termómetro (18) y el higrómetro (19) miden la temperatura y la humedad relativa del efluente gaseoso en la instalación.
La concentración de metanol se mide utilizando un detector de ionización de llama.
El sustrato cubierto con agente fotocatalítico es un sustrato fabricado de fibra de vidrio que está recubierto con una composición de TiO_{2} vendido bajo el nombre comercial Tiona PC 500. Las fibras de vidrio están recubiertas en una proporción de 10 g/m <2> de TiO_{2} por cara.
Las condiciones de funcionamiento son como sigue:
Humedad relativa del efluente a la entrada del reactor: 0%
Temperatura: 19 a 21ºC
Número de lámparas: 0 o 12
Velocidad de rotación en oposición: + 25 revoluciones por minuto
\vskip1.000000\baselineskip
a/ Demostración de la fotocatálisis
Se realizaron varios experimentos, con las referencias 1, 2, 3 y 4.
El experimento 1 fue realizado sin TiO_{2} ni UV (dilución)
El experimento 2 se realizó sin TiO_{2} con UV (fotólisis)
El experimento 3 fue realizado con TiO_{2} sin UV (absorción)
El experimento 4 fue realizado con TiO_{2} y UV (fotocatálisis).
La concentración de metanol en el efluente tratado como una función del tiempo ha sido representada en la
Figura 3.
Como se ilustra con las curvas 21 (Experimento 2) y 22 (Experimento 1) se encuentra que no existe ningún fenómeno de fotocatálisis cuando el sustrato no ha estado cubierto con agente fotocatalizador.
La curva 23 (Experimento 3) ilustra la capacidad del TiO_{2} para absorber el contaminante. Por último, la curva 24 (Experimento 4) ilustra la eficacia bajo UV de la distribución del contaminante por fotocatálisis sobre TiO_{2} y a continuación, su destrucción por fotocatálisis. Se observa que el fenómeno de fotocatálisis es rápido y com-
pleto.
b/ Influencia sobre naturaleza de contacto del efluente sobre las paredes del fotoreactor
En este ejemplo, el efluente contaminante fue sometido a tres diferentes tratamientos:
Un tratamiento lapidante de la cara interna de la pared de la cámara exterior
Un tratamiento en el que se atraviesa la pared de la cámara interior;
Un tratamiento lapidante de al menos la cara interna de la cámara exterior y un tratamiento en el que se atraviesa la pared de la cámara interior.
La Figura 4 ilustra la influencia de la naturaleza del contacto sobre la capacidad del TiO_{2} para absorber el contaminante cuando el efluente gaseoso es sometido a un movimiento de avance transversal (curva 25), a un movimiento lapidante (curva 26) o a la combinación de los dos movimientos (curva 27).
Según se ilustra por esta figura, el sustrato recubierto por TiO_{2} es muy rápidamente saturado por el movimiento de avance transversal por sí solo, menos rápidamente mediante un movimiento de lapidación simple. Por otra parte, la saturación es muy lenta cuando el efluente gaseoso se somete a la combinación de lapidación y de movimiento atravesante.
La fotocatálisis del efluente gaseoso sobre sustrato recubierto por el agente fotocatalítico fue representada en la Figura 5.
Según se ilustra por esta figura, la combinación de los movimientos lapidante y de avance transversal (curva 28) hace posible obtener un efecto fotocatalítico completamente efectivo, mientras que el simple tratamiento de avance transversal (curva 29) o tratamiento lapidante (curva 30) sigue siendo insuficiente.
Por supuesto, dicha instalación se puede instalar en cualquier zona capaz de desprender efluentes gaseosos contaminados.
La invención y sus ventajas se hacen más evidentes a partir de la descripción anterior. En particular, se observará la eficacia del proceso para la purificación de un efluente gaseoso mediante combinación de un movimiento lapidante y de un movimiento de atravesamiento así como el diseño simple de la instalación.

Claims (13)

1. Procedimiento para la purificación de efluentes gaseosos mediante una reacción fotocatalítica que incluye las etapas de: recubrir un primer sustrato y un segundo sustrato por un agente fotocatalizador, irradiando dichos sustratos con radiación ultravioleta, que hace que un efluente gaseoso fluya tangencialmente con respecto a uno de dichos sustratos recubiertos y los atraviese con respecto al otro de dichos sustratos recubiertos.
2. Procedimiento según la reivindicación 1 en el que el efluente gaseoso es hecho fluir tangencialmente con respecto a al menos uno de los sustratos.
3. Aparato para la purificación de efluentes gaseosos que comprende: un primer recipiente exterior y un segundo recipiente interior más pequeño montado dentro del recipiente exterior en alineación coaxial para establecer una cámara exterior y una cámara interior presentando dicha cámara exterior una superficie de pared interna que está recubierta con un primer agente fotocatalizador, presentando dicho recipiente interior perforaciones formadas en la pared del recipiente y estando la superficie exterior de dicha pared recubierta con un segundo agente fotocatalizador, una fuente para irradiar dicho primero y segundo recubrimientos con radiación ultravioleta, medios de entrada para introducir un efluente gaseoso en dicha cámara exterior, de modo que el efluente fluya inicialmente tangencialmente con respecto a dicha primera superficie catalizadora y a continuación, fluya transversalmente con respecto a dicha segunda superficie catalizadora en dicha cámara interior a través de dichas perforaciones y medios de salida en la cámara interior para descargar un efluente gaseoso desde dicha cámara interior.
4. Aparato según la reivindicación 3 en el que dichos recipientes interior y exterior son de forma cilíndrica.
5. Aparato según la reivindicación 4 en el que dicha fuente irradiante comprende al menos un tubo de radiación ultravioleta dentro de dicha cámara exterior.
6. Aparato según la reivindicación 4 que comprende, además, una serie de lámparas de UV circunferencialmente espaciadas y axialmente dispuestas, montadas dentro de dicha cámara exterior.
7. Aparato según la reivindicación 4 en el que dichos recipientes son de la misma longitud y comprenden, además, un par de paredes extremar para encerrar dichos recipientes y dichos medios de entrada comprenden una abertura en una pared extrema que está situada adyacente a la periferia de dicho primer recubrimiento.
8. Aparato según la reivindicación 7 en el que dichos medios de salida comprenden una abertura en la otra pared extrema.
9. Aparato según la reivindicación 4 que comprende, además, medios de impulsión para hacer girar uno de dichos cilindros.
10. Aparato según la reivindicación 4 que comprende, además, medios impulsores para hacer girar ambos cilindros.
11. Aparato según la reivindicación 10 en el que dichos medios impulsores están adaptados para hacer girar dichos cilindros en la misma dirección.
12. Aparato según la reivindicación 10 en el que los medios impulsores están dispuestos para hacer girar los cilindros en direcciones opuestas.
13. Aparato según la reivindicación 3 que comprende, además, medios de succión para extraer un influente gaseoso a través de las cámaras exterior e interior.
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