ES2683723T3 - Reactor utilizable para la descontaminación de fluidos y procedimiento de utilización - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la descontaminación de aguas residuales, civiles o industriales contaminadas por unos compuestos orgánicos no biodegradables, que comprende las etapas siguientes: - se mezcla bajo agitación el líquido contaminado con por lo menos un ion persulfato, con la excepción del persulfato de amonio, y por lo menos un átomo de hierro o un ion de hierro en su forma ferrosa o férrica, a una concentración de entre 50 μM y 600 μM, preferentemente entre 100 μM y 400 μM; - se somete la mezcla obtenida durante un período de tiempo suficiente a por lo menos una irradiación UV/visible que presenta un espectro estrecho de longitud de onda comprendida entre 153 nm y 560 nm.
Description
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DESCRIPCION
Reactor utilizable para la descontaminacion de fluidos y procedimiento de utilizacion.
La presente solicitud se refiere al campo de la desinfeccion y de la descontaminacion de fluidos, y mas particularmente a un procedimiento de descontaminacion de lfquido contaminado para reducir la cantidad de compuestos organicos no biodegradables, asf como a un reactor para realizar dicho procedimiento de descontaminacion de lfquido contaminado.
La contaminacion de las aguas superficiales y subterraneas por microcontaminantes organicos, debida a la actividad humana, constituye en la actualidad una preocupacion ambiental importante (calidad del agua, impacto ecologico, feminizacion de los peces, etc.). Las plantas de purificacion, receptaculos comunes de los efluentes urbanos, industriales y hospitalarios, son actualmente el medio de tratamiento casi exclusivo de las aguas residuales. Ahora bien, resulta que estas plantas, basadas en el principio de una purificacion por via biologica, no son capaces de tratar por completo los microcontaminantes que se encuentran, por lo tanto, con sus metabolitos en aguas naturales.
La presencia de estos compuestos organicos en los recursos naturales tambien plantea problemas residuales.
Se han descrito diversos procedimientos en la tecnica anterior para tratar las aguas residuales con el fin de reutilizarlas para el consumo, la higiene, la industria o tambien la agricultura.
Los sistemas de tratamiento fisicoqmmicos disponibles actualmente recurren exclusivamente a una oxidacion por los radicales hidroxilos generados por el acoplamiento de una especie qmmica (agua oxigenada u ozono o peroxona) con un procedimiento de activacion ffsica por radiacion electromagnetica. Uno de los inconvenientes de estos procedimientos es que necesitan ajustar el pH mediante la adicion de una gran cantidad de acido (procedimiento Fenton) o de base (procedimiento de ozonolisis). Otros procedimientos y reactores utilizan unos iones persulfatos y una irradiacion por radiacion UV/visible (WO 2007/146671, DE 4 109 872, DE 4 430 391).
Por lo tanto, existe la necesidad de un sistema de tratamiento de lfquidos contaminados que permita dirigir mejor la degradacion de compuestos organicos no biodegradables y que no presente los inconvenientes de los procedimientos existentes.
La presente invencion preve proporcionar un procedimiento de descontaminacion de lfquido que puede dirigir mejor la degradacion de compuestos organicos no biodegradables.
Los inventores han demostrado, de manera sorprendente y despues de largas investigaciones, que la mezcla de un lfquido contaminado con por lo menos un ion persulfato, en asociacion con por lo menos hierro, y una irradiacion por una radiacion UV/visible que presenta un espectro estrecho longitud de onda comprendida entre 153 nm y 560 nm, permite focalizar mejor la degradacion de los compuestos organicos no biodegradables debido a la mayor selectividad del radical sulfato con respecto al radical hidroxilo, frente a los compuestos organicos no biodegradables objetivo. Esto se explica por el hecho de que la matriz compleja de un agua, que contiene particularmente unos compuestos organicos de origen natural, tiene tendencia a inhibir la accion de las especies oxidantes.
Es un objetivo de la presente invencion proporcionar un procedimiento de este tipo.
Por lfquido contaminado se entiende en la presente memoria las aguas residuales, civiles o industriales, como las procedentes de un procedimiento farmaceutico, hospitalario, cosmetico o agroalimentario, que contienen unos compuestos organicos no biodegradables. Preferentemente el lfquido puede ser agua. Por extension, el termino "lfquido" engloba los lfquidos que pueden contener una fase gaseosa.
El lfquido a descontaminar de acuerdo con la invencion puede ser cualquier lfquido contaminado cuya descontaminacion es necesaria antes del rechazo y/o la reutilizacion, principalmente para usos domesticos.
Por compuesto organico no biodegradable se entiende en la presente memoria cualquier compuesto, cuya naturaleza indeseable puede ser debida a su nocividad (toxicidad) para la salud del organismo humano o animal, no biodegradable, es decir, no degradado por los procedimientos de degradacion biologica y fisicoqmmica estandar como por ejemplo los procedimientos utilizados en las plantas de purificacion, pudiendo estos compuestos ser tambien tanto unas moleculas organicas a base de carbono, de hidrogeno y eventualmente de oxfgeno, y/o de heteroatomos tales como el azufre, el nitrogeno y el fosforo, como por ejemplo las sustancias farmaceuticas, cosmeticas, los pesticidas.
Por lfquido descontaminado se entiende en el presente texto un lfquido cuya tasa de compuestos organicos no biodegradables es aceptable segun los criterios fijados por la utilizacion prevista del lfquido despues de la descontaminacion. Esto puede querer decir en particular que en el lfquido descontaminado se ha reducido al maximo, incluso suprimido, la cantidad de compuestos organicos no biodegradables.
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Por eso, los inventores proponen un procedimiento de descontaminacion de Kquido que se puede utilizar para descontaminar unos Ifquidos que contienen unos compuestos organicos no biodegradables, as^ como un reactor para descontaminar dichos Ifquidos.
Por lo tanto, la invencion tiene como primer objeto un procedimiento de descontaminacion de Ifquido contaminado con compuestos organicos no biodegradables, que comprende las etapas siguientes:
• se mezcla bajo agitacion el lfquido contaminado con por lo menos un ion persulfato, y por lo menos hierro a una concentracion comprendida entre 50 jM y 600 jM, preferentemente entre 100 jM y 400 jM;
• se somete a la mezcla obtenida durante un tiempo suficiente a por lo menos una irradiacion UV/visible que presenta un espectro estrecho de longitud de onda comprendida entre 153 nm y 560 nm.
Por ion persulfato segun la invencion se entiende cualquier forma conocida de iones persulfato, con la excepcion del persulfato de amonio, y mas particularmente los comprendidos en la lista siguiente: el persulfato de sodio, el persulfato de potasio, el persulfato de bario, De manera preferida, se podran utilizar como ion persulfato unos iones cuyos contraiones no son toxicos para el medio ambiente, como el persulfato de sodio o el persulfato de potasio. De manera aun mas preferida se podra utilizar segun la invencion el persulfato de sodio.
Segun la primera etapa de la invencion, la mezcla se realiza bajo agitacion y permite asf asegurar la homogeneidad del medio. El sistema de agitacion puede ser por ejemplo un sistema clasico de palas. Esta mezcla se puede realizar a una velocidad que vana entre 200 y 700 rpm, preferentemente entre 400 y 600 rpm.
Segun la invencion, el pH de la mezcla obtenida en la primera etapa del procedimiento se puede situar entre 1 y 7, preferentemente entre 2 y 4. De hecho, los inventores han observado que la descontaminacion de lfquido contaminado mediante compuestos organicos no biodegradables era mas eficaz a un pH comprendido entre 2 y 4.
De acuerdo con la invencion, se puede prever mantener el pH en este rango de valores, gracias a la adicion de acido o de base en el lfquido a descontaminar cuando tiene lugar la realizacion del procedimiento.
Segun la invencion, en la primera etapa del procedimiento, se mezcla el lfquido contaminado con por lo menos un catalizador que puede ser hierro.
Los inventores han demostrado en efecto, que la combinacion del sistema persulfato/hierro con una irradiacion UV mejora la eficacia de la degradacion de los compuestos organicos no biodegradables, y permite alcanzar unas tasas de desaparicion de estos mas elevadas. La utilizacion de la luz UV participa en la foto-reduccion de los iones de hierro en forma ferrica con produccion de los radicales hidroxilos suplementarios y permite la regeneracion al mismo tiempo de los iones de hierro en forma ferrosa necesarios para la activacion del persulfato.
Por hierro segun la invencion se entiende un atomo de hierro o un ion de hierro en su forma ferrosa o ferrica. Unos ejemplos de hierro en forma de hierro ferroso pueden ser el sulfato de hierro ferroso, el cloruro de hierro ferroso, o tambien la doble sal de hierro ferroso de sulfato de amonio, preferentemente el sulfato de hierro ferroso. Unos ejemplos de hierro en forma de hierro ferrico son el sulfato de hierro ferrico, el nitrato de hierro ferrico, el cloruro de hierro ferrico, o tambien la doble sal de hierro ferrico de sulfato de amonio, preferentemente el sulfato de hierro ferrico. Preferentemente, se podra utilizar el hierro en su forma ferrosa. El hierro ferroso o ferrico puede presentarse en una forma macromolecular, micromolecular, o nanoparticulada. Preferentemente, se puede utilizar el hierro inicialmente en forma nanoparticulada. De hecho, los inventores han demostrado que a igual concentracion, el aumento de superficie espedfica de la forma nanoparticulada permite obtener mejores resultados.
Por forma nanoparticulada se entiende segun la invencion un tamano de nanopartfculas comprendido entre 40 y 200 nanometros, preferentemente entre 60 y 120 nanometros.
Tambien segun la invencion, la concentracion en atomos de hierro o iones de hierro en la mezcla se puede situar entre 50 jm y 600 jm, preferentemente entre 100 jm y 400 jm.
Segun la invencion, la relacion molar [concentracion inicial en persulfato]/[concentracion inicial en hierro] se puede situar entre 0,5 y 5, preferentemente entre 1 y 3.
Segun la invencion, el experto en la materia sabra calcular la concentracion en persulfato necesaria segun la invencion, en funcion de la concentracion en hierro elegida, y de la relacion molar [concentracion inicial en persulfato]/[concentracion inicial en hierro] deseada.
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Segun una segunda etapa, se somete a la mezcla obtenida en la primera etapa durante un tiempo dado a por lo menos una irradiacion UV/visible que presenta un espectro estrecho de longitud de onda comprendida entre 153 nm y 560 nm. Preferentemente, se puede elegir una longitud de onda comprendida entre 240 nm y 300 nm, aun mas preferentemente centrada en 254 nm.
Segun la invencion, la irradiacion UV puede ser producida en particular por lamparas, tubos, diodos electroluminiscentes (LED). Por tiempo suficiente segun la invencion, se entiende el tiempo necesario para la obtencion del nivel de compuestos organicos no biodegradables en el lfquido descontaminado deseado, pudiendo este nivel corresponder a los criterios deseados o impuestos para la utilizacion prevista. El experto en la materia sabra adaptar este tiempo gracias a sus conocimientos en el campo.
Tambien se entiende que el espectro de la radiacion UV se puede extender a uno y otro lado de este pico en 30 nm, ventajosamente en 10 nm. De este modo, una lampara UV que emite una luz que presenta un espectro estrecho de longitud de onda centrada en 254 nm, podra emitir de hecho una luz de longitud de onda comprendida entre 224 nm y 284 nm, ventajosamente entre 244 nm y 264 nm.
Segun la segunda etapa del procedimiento de la invencion, dicha mezcla puede ser sometida a los rayos UV durante un tiempo comprendido entre 10 minutos y 120 minutos, ventajosamente 15 minutos y 60 minutos, muy ventajosamente entre 15 minutos y 30 minutos.
Segun el procedimiento, el fluido se mezcla bajo agitacion con por lo menos un ion persulfato, durante por lo menos el tiempo necesario para que la mezcla se vuelva homogenea, y posiblemente tambien durante el tiempo de la irradiacion. Esto significa que la segunda etapa del procedimiento puede tener lugar al mismo tiempo que la primera etapa. Segun otra forma de la invencion, la segunda etapa puede tener lugar despues de la primera etapa, es decir que la agitacion se detiene cuando comienza la segunda etapa. Ventajosamente, las dos primeras etapas del procedimiento pueden tener lugar de manera simultanea.
Los inventores han demostrado que el procedimiento de descontaminacion es aun mas eficaz cuando la irradiacion UV es realizada por uno o mas diodos emisores electroluminiscentes (LED). La utilizacion de diodos electroluminiscentes (LED) que producen radiaciones UV presenta muchas ventajas con respecto a las lamparas UV. Los LED emiten a una sola longitud de onda (no presentan un espectro difuso como las lamparas UV a media presion de mercurio) y es posible elegir asf la o las longitudes de onda idoneas. Los otros intereses son economicos (la vida util de los lEd es de 10 a 100 veces superior a la de las lamparas). Solo producen poco calor; no requieren mucha energfa para funcionar y el rendimiento de conversion energfa/dosis de UV emitida es muy superior al de las lamparas habituales). Los LED son, ademas, resistentes a los golpes y practicos de realizar: es mucho mas facil imaginar nuevas configuraciones de reactores UV con unos LED que con lamparas UV debido a su poco volumen ocupado, a la orientacion facilitada de la radiacion luminosa, a las posibilidades de ajustar la cantidad de LED al caudal de agua a tratar, etc.). Ademas, presentan unas ventajas en el campo de la proteccion del medio ambiente: los LED no contienen sustancias toxicas como el mercurio, y en el contexto de la directiva REACH que preve en particular sustituir los compuestos toxicos por compuestos menos toxicos, los LED encuentran su lugar.
Asef, segun una variante de la invencion, en el procedimiento la irradiacion puede ser realizada por uno o varios LED. Los LED son preferentemente unos LED comerciales. Se citara por ejemplo, un LED-UV que emite a 254 nm. A tftulo de ejemplo se citaran los LED procedentes de de Seoul Optidevice Co., LTD (Corea del Sur), Nichia Corporation (Japon) o tambien de SunLED Corporation (US).
Segun una variante de la invencion, se puede prever la adicion de una tercera etapa al procedimiento. Esta etapa podna corresponder a una etapa de recuperacion del lfquido descontaminado. Se puede prever que esta etapa se pueda realizar mediante cualquier tecnica apropiada que permita dicha recuperacion. Se puede citar por ejemplo uno o varios de los procedimientos elegidos de entre los procedimientos de filtracion, gravimetrico o a presion reducida, de decantacion, o incluso procedimientos de precipitacion seguida por una filtracion gravimetrica.
Los inventores han demostrado asimismo la eficacia de un reactor para realizar un procedimiento de descontaminacion de un lfquido contaminado.
Por lo tanto, la invencion tiene asimismo por objeto un reactor para la descontaminacion de lfquido, que comprende por lo menos un medio de adicion de por lo menos un ion persulfato, con la excepcion del persulfato de amonio, de por lo menos un atomo de hierro o un ion de hierro en su forma ferrosa o ferrica a una concentracion de entre 50 pM y 600 pM, preferentemente entre 100 pM y 400 pM, por lo menos un medio de mezcla bajo agitacion de dicho lfquido, por lo menos un medio de irradiacion UV/visible que presenta un espectro estrecho de longitud de onda comprendida entre 153 nm y 560 nm, preferentemente entre 240 nm y 300 nm, preferentemente centrada en 254 nm.
De acuerdo con la invencion, la irradiacion UV se puede realizar mediante por lo menos un diodo electroluminiscente.
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Por reactor se entiende un contenedor apto para recibir, durante un tiempo definido, un Ifquido a descontaminar, comprendiendo dicho contenedor un medio para mezclar el Kquido con el ion persulfato y con hierro, estando ademas dicho reactor equipado con por lo menos una fuente de Luz UV cuya accion sobre el lfquido podra conducir a la descontaminacion de dicho fluido.
Segun el reactor de la invencion, la adicion de ion persulfato o de hierro, y la mezcla del lfquido con el ion persulfato o con hierro se puede realizar en el reactor antes de la irradiacion UV, lo cual significa que la el lfquido se mezcla con el ion persulfato o con hierro antes de ser irradiado, o se puede prever que el reactor pueda permitir la adicion y la mezcla del ion persulfato o con hierro con el lfquido al mismo tiempo que tiene lugar la irradiacion.
Segun una tercera forma de la invencion, la adicion de ion persulfato o hierro puede tener lugar antes de la mezcla del lfquido, pudiendo el lfquido ser mezclado al mismo tiempo o antes de la irradiacion. Tambien se puede prever que la adicion de ion persulfato y la adicion de hierro no se realicen al mismo tiempo. Efectivamente, segun la invencion, el persulfato se puede anadir al lfquido antes, al mismo tiempo o despues del hierro.
Segun la invencion, la o las lamparas UV podran estar dispuestas a nivel del reactor o bien de modo que no esten en contacto directo con el lfquido a descontaminar, o bien de modo que esten en contacto o sumergidas en dicho lfquido.
Segun una variante de la invencion, dicho reactor puede comprender ademas por lo menos una entrada para el lfquido a descontaminar, y por lo menos una salida para el lfquido descontaminado. Segun esta variante, la entrada del lfquido y la salida del lfquido pueden estar dispuestas en unos extremos opuestos del reactor.
La forma, el material y las dimensiones del reactor segun la invencion pueden ser cualquiera. Por lo tanto, el reactor puede adoptar todas las formas deseadas y todas las dimensiones deseadas, que seran adaptadas por el experto en la materia en funcion del uso previsto del reactor segun la invencion.
Como ejemplos no limitativos de materiales que pueden constituir el reactor, se puede citar los polfmeros (incluidos los plasticos), el metal, el hormigon, el vidrio, el cuarzo, el acero inoxidable o cualquier combinacion de estos materiales.
El reactor puede ser en particular un recipiente, abierto o cerrado, en el que el lfquido a descontaminar puede circular siendo al mismo tiempo mezclado bajo agitacion con por lo menos un persulfato, permaneciendo en contacto con por lo menos una fuente UV/visible que emite una luz que presenta un espectro estrecho de longitud de onda comprendida entre 153 nm y 560 nm el tiempo necesario para una descontaminacion completa.
Segun una variante de la invencion, el reactor puede ser un deposito, abierto o cerrado, en el que se almacena el lfquido a descontaminar, estando dicho tanque equipado con por lo menos un medio de mezclado bajo agitacion de dicho lfquido, por lo menos un medio de adicion de por lo menos un ion persulfato, por lo menos una fuente UV/visible que emite una luz que presenta un espectro estrecho de longitud de onda comprendida entre 153 nm y 560 nm, preferentemente entre 240 nm y 300 nm, preferentemente centrada en 254 nm.
Una forma particularmente adaptada al reactor segun la invencion es la de un tubo en el que podra circular el fluido, llevando dicho tubo por lo menos un medio de adicion de por lo menos un ion persulfato, de por lo menos hierro, por lo menos un medio para mezclar, y por lo menos un medio de irradiacion UV/visible que emite una luz que presenta un espectro estrecho de longitud de onda comprendida entre 153 nm y 560 nm, preferentemente entre 240 nm y 300 nm, en su longitud, en un orificio de modo que la emision de luz se realiza hacia el interior del tubo donde circula el fluido a descontaminar. En una variante, el medio de irradiacion estara posicionado sobre un soporte dispuesto en el interior de dicho tubo en contacto con fluido a descontaminar.
Segun otra variante, dicho reactor podra comprender ademas un sistema para ajustar el pH, con el fin de mantener el pH del lfquido mezclado con el persulfato a un valor comprendido en un intervalo de 1 a 7, preferentemente de 2 a 4. Segun otra variante, dicho reactor puede comprender asimismo por lo menos un medio de recuperacion del lfquido descontaminado.
Segun la invencion, dicho reactor puede comprender ademas cualquier dispositivo util para su correcto funcionamiento y/o para su seguridad, como por ejemplo unas valvulas de entrada y/o de salida, una valvula de cierre de circulacion del lfquido a descontaminar, una o unas bombas de circulacion, uno o unos sensores de intensidad luminosa, un dispositivo de medicion de la transmitancia o de la turbidez del lfquido a descontaminar, un dispositivo de medicion la presion, o tambien un dispositivo de medicion de la temperatura.
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Ejemplo
Protocolo experimental:
Para la irradiacion se utiliza una lampara policromatica de mercurio a presion media (Modelo TQ 150 de Heraeus) que emite a unas longitudes de onda maximas de 254, 273, 313, 366, 406, 436, 546 y 578 nm). Se precalienta durante 10 a 20 minutos para obtener un flujo fotonico constante.
Bajo irradiacion con la lampara se prepara una solucion acuosa de carbamazepina con una concentracion inicial de 50 |jM cuyo pH se ajusta a 3 mediante la adicion de un volumen adecuado de una solucion de acido sulfurico 1 M. La solucion se mantiene bajo agitacion a 500 rpm
Se inyectan sucesivamente unos volumenes adecuados de persulfato de sodio y de sulfato de hierro ferroso para obtener una concentracion inicial de 200 jM y 100 jM respectivamente.
Se prepararon con la solucion obtenida previamente 6 muestras de concentracion en hierro ferroso segun la tabla siguiente:
- Muestra
- Sfmbolo Figura 1 [F?+]=
- (A)
- • 1 jM
- (B)
- O 5 jM
- (C)
- 12,5 jM
- (D)
- A 50 jM
- (E)
- □ 100 jM
- ________(F________
- ▼ 400 jM
La mezcla se mantiene bajo irradiacion durante 60 minutos. Se mide entonces la concentracion en carbamazepina en cada muestra para estudiar la influencia de la concentracion en hierro ferroso sobre la degradacion de la carbamazepina.
Los resultados se muestran en la Figura 1.
Se observa que casi toda la carbamazepina se destruye despues de 30 minutos de incubacion a las concentraciones en hierro ferroso superiores a 50 jM.
Claims (10)
- 510152025303540REIVINDICACIONES1. Procedimiento para la descontaminacion de aguas residuales, civiles o industriales contaminadas por unos compuestos organicos no biodegradables, que comprende las etapas siguientes:- se mezcla bajo agitacion el Uquido contaminado con por lo menos un ion persulfato, con la excepcion del persulfato de amonio, y por lo menos un atomo de hierro o un ion de hierro en su forma ferrosa o ferrica, a una concentracion de entre 50 jM y 600 jM, preferentemente entre 100 jM y 400 jM;- se somete la mezcla obtenida durante un penodo de tiempo suficiente a por lo menos una irradiacion UV/visible que presenta un espectro estrecho de longitud de onda comprendida entre 153 nm y 560 nm.
- 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que en la primera etapa, el persulfato se selecciona de entre el persulfato de sodio, el persulfato de potasio o el persulfato de bario.
- 3. Procedimiento segun la reivindicacion 2, caracterizado por que el persulfato se selecciona de entre el persulfato de sodio y el persulfato de potasio.
- 4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 2 o 3, caracterizado por que el persulfato es el persulfato de sodio.
- 5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el pH de la mezcla obtenida en la primera etapa del procedimiento se situa entre 1 y 7, preferentemente entre 2 y 4.
- 6. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que en la primera etapa, el hierro esta en forma ferrosa.
- 7. Procedimiento segun la reivindicacion 1 a 6, caracterizado por que el hierro esta en forma macromolecular, micromolecular o nanoparticulada, preferentemente en forma nanoparticulada.
- 8. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que la relacion molar [concentracion inicial en persulfato]/[concentracion inicial en hierro] esta comprendida entre 0,5 y 5, preferentemente entre 1 y 3.
- 9. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que la irradiacion UV realizada en la segunda etapa presenta un espectro estrecho de longitud de onda comprendida entre 240 y 300 nm, preferentemente centrada en 254 nm.
- 10. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que la irradiacion UV se realiza mediante por lo menos un diodo electroluminiscente.
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