ES2380033A1 - Dispositivo para depuracion de medios contaminados. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para depuración de medios contaminados.Permite eliminar elementos no deseados en medios líquidos o gaseosos mediante el uso de fotodepuración, incorporando una lámina (2) de material con efecto fotovoltaico en volumen encargado de formar un campo eléctrico inducido por radiación luminosa, y una fuente de radiación luminosa directa (3) encargada de iniciar el efecto fotovoltaico en volumen de la lámina (2), así como adicionalmente puede incorporar al menos una canalización (7) encargada de delimitar el flujo del medio (6) a depurar.
Description
Dispositivo para depuración de medios
contaminados.
La presente invención se refiere a dispositivo
para la eliminación de impurezas o contaminantes en medios
líquidos.
El objeto de la invención consiste en la
eliminación de elementos no deseados en medios líquidos o gaseosos
mediante el uso de fotodepuración.
Como consecuencia de la actividad industrial,
cantidades muy significativas de contaminantes químicos son vertidas
al medio ambiente de forma creciente, en particular en las aguas
residuales domésticas e industriales y en el aire. En el caso del
agua, los principales contaminantes corresponden a agentes
tensoactivos, plaguicidas, hidrocarburos, colorantes y productos
farmacéuticos.
En la actualidad existen diversos procedimientos
para la depuración del agua y aire contaminados, ya sea por agentes
químicos o biológicos. Dejando de lado los simples procesos de
purificación química, en particular mediante el tratamiento de las
aguas con hipoclorito, la mayor parte de los procedimientos
propuestos se basan en el empleo de materiales capaces de generar
efectos fotoquímicos al absorber radiación luminosa.
Este tipo de compuestos ha llevado a la
concepción de la así llamada "depuración fotocatalítica" del
agua. La variante más conocida y desarrollada de los procedimientos
basados en la fotocatálisis corresponde al empleo de dióxido de
titanio (TiO_{2}), que requiere ser iluminado con luz ultravioleta
para su activación [Nowotny, 2008, Ener. & Environm. Sci.
1(5), 565-572]. La energía de la luz promueve
un electrón de la banda de valencia a la de conducción, generándose
en la superficie del material regiones con carga negativa y positiva
que dan lugar a procesos electroquímicos con formación de especies
oxidantes reactivas. Aunque el procedimiento de fotocatálisis con
(TiO_{2}) permite la degradación de compuestos orgánicos
contaminantes, la misma requiere iluminación con luz ultravioleta,
que no abunda en la radiación solar disponible o que es costosa en
el caso de tener que producirse artificialmente.
También pueden utilizarse procedimientos basados
en la simple exposición de los medios biológicamente contaminados a
la luz ultravioleta aprovechando su acción germicida, pero la
generación y aplicación de la luz ultravioleta artificial en grandes
superficies es muy costosa y, por el contrario, el componente
ultravioleta solar es relativamente pequeño. Tampoco parece
relevante y/o rentable el uso de la luz ultravioleta para degradar
contaminantes químicos presentes en el medio acuoso. La aplicación
de complejos de rutenio para el tratamiento de aguas contaminadas es
otra opción en estudio [Jiménez-Hernández et
al., 2006, Solar Ener. 80(10), 1382-1387;
Villén et al., 2006, App. Catalysis B 69
(1-2), 1-9]. Existen estrategias
parecidas al empleo de complejos de rutenio, pero a base de
colorantes orgánicos, para el tratamiento de aguas destinadas a usos
recreacionales, tales como fuentes o aguas para limpieza [Hubig
et al., 2004, J. Opt. Soc. Am. A 21 (10),
1975-1987].
El efecto fotovoltaico en volumen (EFV) permite
la generación de intensos campos eléctricos tras la absorción de
fotones por parte de ciertos materiales [Glass & von der Linde,
1974, Phys. Lett. 25(4), 233-235; Buse, 1997,
Appl. Phys. B, 64, 273-291; Sturman et al.,
2008, Phys. Rev. B, 78, 245114]. El mismo es debido a la excitación
de electrones desde una impureza (como átomos de Fe) hasta la banda
de conducción de determinados materiales (como niobatos, titanatos o
tantalatos). Estos materiales presentan un eje de polarización
espontánea debido al cual los electrones excitados tienden a migrar
preferentemente a lo largo de una dirección privilegiada del
cristal. La acumulación de cargas en los extremos de dicho eje
provoca la aparición de un campo eléctrico interno, que aumenta
hasta que la cantidad de carga depositada alcanza la saturación (por
Ej., 10^{5} V/cm en el niobato de litio dopado con hierro,
LiNbO_{3}:Fe) [Grousson et al., 1983, J. Appl. Phys.
54(6), 3012-3016; Falk et al., 2007,
Appl. Phys. B, 87,
119-122].
119-122].
Los materiales que presentan EFV se han
utilizado principalmente en la fabricación de dispositivos ópticos,
usándose en guías de onda y fibras ópticas para aplicaciones de
fotónica integrada y modulación/procesado óptico de señal e imagen.
También existen algunas aplicaciones propuestas para obtener energía
eléctrica a partir de células fotovoltaicas con estos materiales
[Glass et al., 1976, US Patent 3,975,632; Hikita, 1994, US
Patent 5,364,710]. Recientemente se ha comercializado una fuente de
rayos-X basada en el efecto piroeléctrico, muy
parecido al EFV, excepto que el campo eléctrico no es generado por
absorción de luz sino por un cambio de temperatura [Kukhtarev et
al., 2004, J. Appl. Phys. 96(11),
6794-6798]. A menudo materiales con EFV también
muestran actividad piroeléctrica.
Se propone un dispositivo que hace uso de un
sistema fotodepurador consistente en láminas de materiales que
muestran efecto fotovoltaico en volumen para el tratamiento del agua
y aire contaminados por agentes químicos y/o microbiológicos. El
intenso campo eléctrico generado por exposición a la luz
visible-ultravioleta-infrarroja
cercana produciría especies químicas reactivas, incluyendo las
derivadas del oxígeno, y cambios de pH responsables de la
degradación de contaminantes químicos y bacterianos.
Los materiales susceptibles de ser utilizados
son: niobatos, tantalatos y titanatos de metales alcalinos y
alcalinotérreos (en especial de litio, potasio y bario), en general
dopados con metales de transición (preferentemente hierro). En el
caso del niobato de litio dopado con hierro (LiNbO_{3}:Fe), el
material es insoluble en agua y no presenta capacidad química o
tóxica en ausencia de luz. Por el contrario, láminas de este
material sí producen daño químico al ser expuestas a la iluminación
solar, evidenciado por la decoloración de colorantes disueltos en
agua y usados como sistemas modelo de fotodegradación.
El intenso campo eléctrico generado en las
inmediaciones del cristal produce una degradación en el medio y por
tanto este campo puede ejercer un daño químico y una acción
citotóxica a través de varias vías, complementarias entre sí.
En primer lugar, debido al campo fotovoltaico,
el material puede actuar como elemento electroquímico. En las caras
correspondientes a los extremos del eje c de polarización espontánea
del material cristalino se acumulan cargas de signo opuesto, las
cuales darían lugar a especies reactivas de oxígeno y compuestos
citotóxicos al interactuar con el medio circundante, ya sea éste
líquido o gaseoso. En caso de un medio acuoso, al igual que con el
TiO_{2}, las superficies cristalinas llevarían a cabo una
electrólisis del agua en virtud del campo fotovoltaico. La misma
tendría dos aspectos importantes en relación con la producción de
daño químico y biológico: la generación de agentes oxidantes
(radical hidroxilo y superóxido, oxígeno singlete, y sobre todo
peróxido de hidrógeno,) y reductores (hidrógeno atómico, hidrógeno
molecular), y el establecimiento de un gradiente de pH
(ácido-alcalino) en extremos opuestos de los
cristales por ionización, formándose protones (H_{3}O^{+}) y
aniones hidroxilo (OH^{-}).
En segundo lugar, el propio campo podría afectar
el delicado equilibrio que mantiene el potencial de membrana de la
célula viva. Este potencial es debido al bombeo selectivo de iones
por parte de la célula, que depende de energía. Existen canales
iónicos en la membrana celular que son sensibles a cambios del
potencial a ambos lados de la membrana celular. Un intenso campo
eléctrico externo puede modificar el tránsito de iones a través de
estos canales, dando como resultado una alteración grave de la
composición interna del medio interno que lleva a la destrucción de
las células, por Ej., microorganismos. Los mecanismos de daño
biológico ocurrirían cuando las células están cercanas o en contacto
con el material fotovoltaico.
La primera ventaja de este procedimiento es que
solo requiere el contacto del medio contaminado con láminas
iluminadas del material fotovoltaico, no siendo necesaria la
presencia de iones metálicos o reactivos orgánicos coadyuvantes en
solución para mejorar la eficacia fotodepuradora, como ocurre con la
fotocatálisis por TiO_{2}. Al igual que en el caso anterior, los
sistemas Fenton y foto-Fenton suelen requerir el
empleo de agua oxigenada adicional, y utilizan hierro iónico que
luego debe retirarse del agua depurada. Estas condiciones
constituyen claras desventajas en comparación con el método que se
presenta. Los tratamientos fotoquímicos basados en complejos de
rutenio poseen varias desventajas, como son la necesidad de
inmovilizarlos para evitar su solubilización en las aguas a tratar,
su dependencia del oxígeno molecular disuelto en el medio para
llevar a cabo su acción fotodepuradora, y un aprovechamiento menor
del rango de energía luminosa que proporciona el sol. Con respecto
al empleo de colorantes orgánicos para tratar aguas no destinadas al
consumo humano, los materiales fotovoltaicos en volumen presentarían
la ventaja de ser insolubles en agua y ser independientes de la
presencia de oxígeno molecular en el medio a tratar. Además, algunos
colorantes propuestos para la fotodepuración de aguas recreacionales
presentan actividad citotóxica y/o mutagénica incluso en oscuridad
(acridinas, cumarinas, tiazinas), cosa que no sucedería con láminas
de material fotovoltaico
en volumen.
en volumen.
En el caso de la biorremediación, se degradan
solamente contaminantes químicos (fenoles, colorantes, hidrocarburos
aromáticos) por la actividad enzimática (lacasas) de ciertas cepas
de hongos y/o bacterias y son más bien laboriosos y de aplicación
limitada. Por el contrario, el procedimiento por EFV es simple y
barato, aprovecha de forma muy efectiva la luz solar como fuente de
radiación y permite la degradación de contaminantes químicos y
biológicos. Igualmente, este procedimiento permitiría, además de una
activación selectiva en función de la iluminación, una independencia
de la presencia de oxígeno molecular en el medio.
En segundo lugar, el procedimiento es eficaz
mediante la simple iluminación por luz solar. Este es un aspecto de
notable importancia por su sencillez. En comparación con el sistema
que emplea TiO_{2}, debido a que éste sólo aprovecha la luz
ultravioleta, el material con EFV se activa con luz visible e
infrarroja cercana además de ultravioleta, componentes espectrales
que son muy abundantes en la radiación solar. Esta fuente de luz
también es muy conveniente por su coste nulo y la facilidad de su
aprovechamiento, pudiendo además concentrarse sobre las láminas
mediante sistemas de espejos para aumentar el EFV y la eficiencia
del tratamiento fotodepurador.
En tercer lugar, un material que sería muy
conveniente (tal como el LiNbO_{3}:Fe) es de fácil adquisición en
forma de láminas de considerable superficie y adecuado espesor. Esto
permite una gran facilidad de diseño del dispositivo fotodepurador,
en el que una corriente de agua o aire fluye en contacto con las
superficies del material fotovoltaico, que está expuesto a la luz
solar de modo directo y también reflejo, mediante una superficie
especular adecuada, tal como papel de aluminio.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra un esquema general del
dispositivo con la canalización reflectora.
Figura 2.- Muestra un esquema del dispositivo
con canalizaciones practicadas sobre la superficie de la lámina.
Figura 3.- Muestra un esquema del dispositivo
con canalizaciones cilíndricas.
Figura 4.- Muestra un esquema del dispositivo
con superficies reflectoras cóncavas (simple y compuesta) en torno a
la canalización que aumentan el flujo de radiación solar.
A la vista de las figuras se describe a
continuación un modo de realización preferente del sistema objeto de
esta invención. El dispositivo (1) depurador objeto de la invención
permite la depuración de medios (6) en estado líquido o en estado
gaseoso que se hacen pasar por una canalización (7) que delimita el
paso del medio. Entre dicha canalización (7) se ubica una lámina (2)
de LiNbO_{3} dopado con Fe, que como se ha descrito anteriormente
tiene capacidades EFV. Dicho material produce un EFV cuando se hace
incidir una fuente luminosa sobre el mismo, dicha fuente puede ser
la luz solar pero para el desarrollo de esta realización se hizo uso
de una fuente luminosa directa (3) para realizar una depuración de
agua.
En otra realización mostrada en la figura 2,
para realizar la depuración de este medio (6) se delimita el flujo
de dicho medio (6) a través de canalizaciones (7) practicadas
mediante fresado sobre la lámina (2) de niobato dopado. Dichas
canalizaciones (7) por las que discurre el medio (6) líquido, agua,
o gaseoso, aire, a su vez definen varias superficies (9) separadas a
lo largo de las cuales se disponen las cargas eléctricas (11). En
dicha figura 2 se puede apreciar que el eje de polarización es
paralelo a la superficies (9) definidas por las canalizaciones
(7).
Mientras el medio (6) fluye entre las
canalizaciones (7) se hace incidir una radiación luminosa procedente
de una fuente de radiación luminosa directa (3) sobre la lámina
(2).
El material de la lámina (2) genera un campo
fotovoltaico inducido por la radiación que genera un efecto
fotovoltaico en volumen.
El agua contaminada que es sometida a
electrólisis generada por dicho campo fotovoltaico y sufre una serie
de alteraciones que eliminan los elementos contaminantes de la
misma, depurando así el flujo de agua que pasa por la lámina (2)
mientras está siendo radiada y generando el campo eléctrico por
EFV.
Otra realización del dispositivo (1) depurador,
mostrada en las figuras 1 y 4, es aquella en la cual la canalización
(7) está definida por una superficie de papel de aluminio que actúa
como un reflector (4) que redirige la radiación luminosa directa (3)
que choca contra las paredes del reflector (4) generando una
radiación luminosa indirecta (5) que colabora en la generación del
EFV del material que conforma la lámina (2) al aumentar el flujo de
radiación incidente sobre ésta.
Tal y como se puede apreciar en la figura 4, el
reflector (4) puede ser de tipo simple, definido por una superficie
cóncava con respecto de fuente de radiación luminosa directa (3); o
puede ser de tipo compuesto, definido por una sucesión de más de una
superficie cóncava con respecto de la fuente de radiación luminosa
directa (3). Además, en dicha figura 4 se observa que la lámina (2)
está localizada en el punto focal del reflector (4).
En otra realización del dispositivo (1)
depurador, mostrada en la figura 3, la canalizaciones (7)
cilíndricas están definidas en el interior de la lámina (2) y el
medio (6) a depurar se hace pasar a través de los taladros (8) que
definen las canalizaciones (7) cilíndricas.
Claims (11)
1. Dispositivo (1) depurador de medios (6)
líquidos y/o gaseosos caracterizado porque comprende:
- -
- una lámina (2) de material con efecto fotovoltaico en volumen encargado de formar un campo eléctrico inducido por radiación luminosa, y
- -
- una fuente de radiación luminosa directa (3) encargada de iniciar el efecto fotovoltaico en volumen de la lámina (2).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Dispositivo (1) según reivindicación 1
caracterizado porque comprende adicionalmente al menos una
canalización (7) encargada de delimitar el flujo del medio (6) a
depurar.
3. Dispositivo (1) según reivindicación 1
caracterizado porque la lámina (2) es de un material
seleccionado entre un niobato, un tantalato o un titanato.
4. Dispositivo (1) según reivindicación 3
caracterizado porque el niobato, el tantalato o el titanato
está dopado con un metal de transición o una tierra rara.
5. Dispositivo (1) según reivindicación 2
caracterizado porque las canalizaciones (7) tienen forma
prismática y están practicadas sobre la superficie de la lámina (2)
y definen entre ellas varias superficies (9), separadas por las
canalizaciones (7), en cuyos lados paralelos a las canalizaciones
(7) se disponen las cargas (11).
6. Dispositivo (1) según reivindicación 5
caracterizado porque el eje de polarización es paralelo a las
superficies (9) definidas por las canalizaciones (7).
7. Dispositivo (1) según reivindicación 2
caracterizado porque las canalizaciones (7) tienen forma
cilíndrica definidas por taladros (8) de sección circular
practicados en el interior de la lámina (2) que permiten el paso del
medio (6) por su interior, en cuyos dos lados paralelos a las
canalizaciones (7) de la superficie superior de la lámina (2) se
disponen las cargas eléctricas (11) de forma enfrentada.
8. Dispositivo (1) según reivindicación 1
caracterizado porque la canalización (7) está formada por al
menos una lámina de material reflectante que envuelve parcialmente
la lámina (2) formando un reflector (4) encargado de delimitar el
flujo del medio (6) y de reflejar la radiación luminosa directa (3)
generando una radiación luminosa indirecta (5).
9. Dispositivo (1) según reivindicación 8
caracterizado porque el reflector (4) es de tipo simple y
está definido por una superficie cóncava con respecto de fuente de
radiación luminosa directa (3).
10. Dispositivo (1) según reivindicación 8
caracterizado porque el reflector (4) es de tipo compuesto y
está definido por una sucesión de más de una superficie cóncava con
respecto de la fuente de radiación luminosa directa (3).
11. Dispositivo (1) según reivindicación 9 o 10
caracterizado porque la lámina (2) está localizada en el
punto focal del reflector (4).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200930310A ES2380033B8 (es) | 2009-06-15 | 2009-06-15 | Dispositivo para depuracion de medios contaminados |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200930310A ES2380033B8 (es) | 2009-06-15 | 2009-06-15 | Dispositivo para depuracion de medios contaminados |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2380033A1 true ES2380033A1 (es) | 2012-05-08 |
| ES2380033B1 ES2380033B1 (es) | 2013-03-15 |
| ES2380033B8 ES2380033B8 (es) | 2013-06-26 |
Family
ID=45954051
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200930310A Expired - Fee Related ES2380033B8 (es) | 2009-06-15 | 2009-06-15 | Dispositivo para depuracion de medios contaminados |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2380033B8 (es) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3855004A (en) * | 1973-11-01 | 1974-12-17 | Us Army | Method of producing current with ceramic ferroelectric device |
| US3975632A (en) * | 1975-08-11 | 1976-08-17 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Photovoltaic generation and device |
| US5364710A (en) * | 1991-08-23 | 1994-11-15 | Mitsubishi Materials Corporation | Apparatus for converting light energy into electric energy and storing the same |
| CN1515500A (zh) * | 2003-01-07 | 2004-07-28 | 上海碧水水处理科技有限公司 | 微电解高压静电发生器水质处理设备 |
-
2009
- 2009-06-15 ES ES200930310A patent/ES2380033B8/es not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US3855004A (en) * | 1973-11-01 | 1974-12-17 | Us Army | Method of producing current with ceramic ferroelectric device |
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| CN1515500A (zh) * | 2003-01-07 | 2004-07-28 | 上海碧水水处理科技有限公司 | 微电解高压静电发生器水质处理设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2380033B8 (es) | 2013-06-26 |
| ES2380033B1 (es) | 2013-03-15 |
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Legal Events
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