ES2941282B2 - Reactor para el tratamiento de aguas - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓN
Reactor para el tratamiento de aguas
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un reactor para el tratamiento de aguas, en particular, a un reactor de laboratorio para el tratamiento de aguas mediante procesos integrados de electrooxidación/radiación ultravioleta/ozono.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La contaminación ambiental en general está aumentando de una forma preocupante en las últimas décadas, y más concretamente la contaminación de las aguas superficiales continentales. Por otra parte, las aguas residuales urbanas e industriales contienen, cada vez más, productos resistentes a los métodos de tratamiento convencionales.
Las tecnologías tradicionales de eliminación de estos contaminantes, procesos físicos o fisicoquímicos (filtración, adsorción, coagulación-floculación) además de no ser suficientemente efectivos, suelen causar una contaminación secundaria.
Por otra parte, los procesos biológicos solo funcionan para contaminantes orgánicos biodegradables. Si tenemos contaminantes orgánicos bio-refractarios o bio-tóxicos, lo cual es cada vez más común, este tipo de tratamiento tampoco es adecuado.
En este contexto, surgen los tratamientos de oxidación (ozono, cloro o radiación UV) que siguen siendo insuficientes para contaminantes refractarios y/o en baja concentración, como son los contaminantes emergentes (compuestos farmacéuticos o compuestos de cuidado e higiene personal).
En esta secuencia lógica de desarrollo surgen los denominados procesos de oxidación avanzada (POA) que combinan diferentes tecnologías con objeto de generar especies radicalarias oxidantes de alta reactividad y en mayor concentración, como son los radicales hidroxilo (OH).
La electro-oxidación (EO) (también conocida como oxidación electroquímica) es una técnica que tiene como objetivo la eliminación de compuestos de difícil eliminación mediante electrodos
específicos. Su fundamento se basa, mediante la utilización de la corriente eléctrica, en la oxidación total o parcial de dichos contaminantes orgánicos, consiguiendo así su mineralización, o en su defecto, convertirlo en compuestos más sencillos, más fácilmente degradables y menos contaminantes.
Actualmente, diversas tecnologías electroquímicas se han utilizado en combinación con otros procesos de oxidación avanzada (POA) para mejorar la calidad de las aguas residuales y la degradación de diversos contaminantes emergentes.
El empleo simultáneo de EO y ozono (O3) ha sido estudiado en los últimos años como una técnica innovadora. Su fundamento se basa en el uso de electrodos específicos para su electrogeneración in situ, o bien, en la combinación de ambos tratamientos en una misma célula electroquímica. También se ha investigado el efecto sinérgico al aplicar ambos procesos de forma simultánea, obteniendo mejores resultados que en los sistemas individuales o, al menos, disminuyendo notablemente los tiempos de tratamiento y, en consecuencia, los costes energéticos asociados.
Por otra parte, la oxidación electroquímica fotoasistida (EO/UV) ha surgido como un nuevo POA, que combina la oxidación electroquímica y la radiación ultravioleta (UV), en la degradación de diversos contaminantes orgánicos emergentes.
Además, la utilización de ozono y radiación ultravioleta de forma simultánea (O3/UV), ha sido ampliamente estudiada en los últimos años. La combinación de estos POA permite llevar a cabo la fotólisis del ozono mediada por radiación UV generando radicales •OH, los cuales mejoran la degradación de los contaminantes frente a los procesos individuales (efecto sinérgico).
De forma similar, se ha investigado el efecto sinérgico resultante al aplicar UV y O3 de forma simultánea en la eliminación y mineralización (a través de la reducción del contenido en COT y/o DQO) de diversos compuestos orgánicos, tal como pesticidas neonicotinoides.
Sin embargo, los procesos de oxidación convencionales muy frecuentemente no son capaces de depurar unos efluentes acuosos cada vez más complejos y que contienen contaminantes cada vez más refractarios.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Por lo tanto, el objetivo de la presente invención es proporcionar una tecnología que combina tres procesos de oxidación diferentes a la vez en el tiempo y en el espacio (EO/radiación UV/ozono) con objeto de obtener la máxima sinergia en el sistema y, por lo tanto, la mayor capacidad de oxidación y mineralización de contaminantes orgánicos refractarios.
El reactor para el tratamiento de aguas de acuerdo con la presente invención se define en la reivindicación 1, y comprende:
- una carcasa provista de una entrada y una salida;
- al menos un electrodo colocado en el interior de dicha carcasa, que proporciona oxidación electroquímica;
- un ozonizador conectado a la entrada de la carcasa; y
- una lámpara de radiación ultravioleta colocada en el interior de la carcasa de forma axial.
De esta manera, se consigue combinar los tres procesos de oxidación citados anteriormente, tal como oxidación electroquímica, radiación ultravioleta y ozono.
De acuerdo con una realización preferida, el al menos un electrodo está montado sobre un soporte provisto de orificios colocado en el interior de la carcasa, que permite montar el o los electrodos en la posición adecuada en el interior de la carcasa y permitir el paso de gases a través del mismo.
Además, el reactor para el tratamiento de aguas de acuerdo con la presente invención también comprende preferentemente una placa porosa colocada entre la entrada de la carcasa y el al menos un electrodo. Esta placa porosa, por ejemplo, de sílice, también permite el paso de gases a través de la misma.
Ventajosamente, el ozonizador está conectado a una fuente de oxígeno, de manera que se proporciona a la entrada de la carcasa una mezcla de oxígeno y ozono.
Además, para garantizar una correcta temperatura operativa del reactor, la carcasa posee una doble camisa de refrigeración colocada alrededor de la misma.
De acuerdo con una realización preferida, la entrada de la carcasa está situada en la parte inferior de la misma.
Además, la lámpara de radiación ultravioleta está preferentemente, colocada longitudinalmente
en el interior de la carcasa y dentro de un pozo de cuarzo. La lámpara de radiación ultravioleta puede ser de mercurio de baja presión o de diodos emisores de luz (LED).
En comparación con las tecnologías existentes, el reactor de la presente invención tiene, entre otras, las siguientes ventajas:
- Es un dispositivo de gran valor en el campo de la investigación debido a la posibilidad de aplicar en un único dispositivo los tres tratamientos de oxidación (O3, UV, EO) y todas las combinaciones posibles de tratamientos binarios (O3/UV, EO/UV, EO/O3) y ternarios (EO/UV/O3), lo que permitirá estudiar la tecnología más adecuada para cada tipo de agua residual o contaminante.
- La eficiencia del tratamiento es muy elevada, debido a la sinergia que se alcanza al combinar diferentes tratamientos. La concentración de radicales hidroxilo en el medio es mayor y, por lo tanto, el potencial redox también lo es. Además, se superan las limitaciones de algunos procesos por separado como la fotooxidación, o los problemas de transferencia de materia gas-líquido de la ozonización simple.
- Los costes de operación son moderados, sobre todo cuando se utiliza radiación UV tipo LED.
- La estructura del equipo es simple y el dispositivo es fácil de manejar.
- La eficiencia del sistema puede modificarse debido a que puede usar diferentes electrodos, densidades de corriente, y fuentes de luz UV. Por lo tanto, para diferentes calidades del influente o diferente tipo de contaminantes puede flexibilizarse su uso con objeto de reducir los costes de tratamiento. Por otra parte, la presencia de cloruro en el influente, lo cual es muy común genera un oxidante secundario en el medio como es el cloro (ácido hipocloroso o hipoclorito) mejorando la eficiencia del sistema.
- No necesita agregar ningún agente químico adicional, en el caso del ozono se transforma a oxígeno, no generando por tanto contaminación secundaria.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
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:
La figura 1 es una vista esquemática se sección del reactor de acuerdo con la presente invención;
La figura 2 es un gráfico donde se muestra la velocidad de oxidación de fenol para los diferentes procesos de oxidación: simples, binarios y ternarios;
La figura 3 es un gráfico donde se muestran los niveles de eliminación de fenol después de 60 minutos de tratamiento; y
La figura 4 es un gráfico donde se muestra la capacidad de mineralización de fenol (a 60 minutos) obtenida por los diferentes procesos.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA DE LA INVENCIÓN
El reactor de acuerdo con la presente invención comprende una carcasa (1) provista de una entrada (11) y una salida (12) de gases. De acuerdo con la realización representada, la entrada (11) está situada en la parte inferior de la carcasa (1) y la salida (12) está situada en una parte superior de la carcasa (1).
A través de la entrada (11) entra una mezcla de oxígeno y ozono. Para ello, la entrada (11) está conectada a un ozonizador (2) y a una fuente de oxígeno (3), por ejemplo, una botella de oxígeno. Este ozonizador (2) produce a partir de la fuente de oxígeno (3), una corriente gaseosa (mezcla de oxígeno y ozono) en diferentes concentraciones y caudales dependiendo de la presión de oxígeno y de la potencia aplicada al ozonizador (2).
La carcasa (1) se encuentra refrigerada por una camisa exterior (8) de refrigeración por agua cuyo objeto es mantener la temperatura del reactor constante. En el interior de la carcasa (1) están colocados al menos dos electrodos (4), que en el caso de la realización representada son dos electrodos. Estos electrodos (4), que proporcionan la oxidación electroquímica, están montados sobre un soporte (5), y entre el soporte (5) y la entrada (11) de la carcasa (1) está colocada una placa porosa (6), por ejemplo, de sílice, que permite el paso de la mezcla de oxígeno y ozono.
El soporte (5) de los electrodos (4) puede ser, por ejemplo, de teflón, y se coloca preferentemente justo por encima de la placa porosa (6) de entrada de gases, y en la parte
central de la carcasa (1).
Los electrodos (4), ánodo y cátodo, dejan pasar por debajo la mezcla gaseosa de oxígeno y ozono. Se puede instalar como ánodo; electrodo de grafito, electrodo de platino, electrodo de dióxido de plomo, electrodo platinizado con base de titanio, electrodo de óxido estánnico de antimonio y níquel, o electrodo de silicio con una capa de 2 micrómetros de diamante dopado con boro. En todos los casos se puede utilizar como cátodo una placa de acero inoxidable AISI 304. Ambos electrodos (4) tienen, por ejemplo, unas dimensiones de 80 x 50 x 2 mm y están conectados a una fuente de alimentación de corriente continua, indicada con el número de referencia (9) en la figura 1.
El reactor de acuerdo con la presente invención también comprende una lámpara de radiación ultravioleta (7), colocada axialmente en el interior de la carcasa (1), y que está colocada en el interior de un pozo de cuarzo (el cuarzo deja pasar la radiación UV)
Esta lámpara de radiación ultravioleta (7), que está conectada a una fuente de alimentación (10), puede ser de mercurio de baja presión (emisión máxima a 254 nm) o bien una lámpara de emisión de LED UV-A (365 nm de emisión máxima). Este dispositivo de elevada eficiencia (sobre todo cuando de utilizan LEDs como fuente de radiación UV) posee la ventaja de no adicionar ningún producto químico al agua, evitando así el contenido residual de subproductos en el efluente (contaminación secundaria).
Como ejemplo de realización de la presente invención, se ha utilizado el reactor para la eliminación del contaminante fenol (C6H5OH), en una concentración de 10 ppm a una temperatura de 20 °C. Se eligió fenol como contaminante debido a que se considera un contaminante modelo que representa la contaminación industrial general de las aguas superficiales.
Este reactor se considera útil en investigación porque permite llevar a cabo todas las posibles combinaciones de procesos simples, binarios y/o ternarios que impliquen ozono, radiación UV, y electro-oxidación.
Las condiciones experimentales para las diversas experiencias fueron las siguientes:
- caudal de entrada para la mezcla O2-O3: 20 l/h,
- concentración de ozono en la mezcla de entrada: 0,7 ppm.
La electro-oxidación se lleva a cabo según los electrodos (4) ya descritos anteriormente, utilizando cómo ánodo una placa de silicio de 2 mm, recubierta a su vez de una capa superficial de 2 micrómetros de diamante dopado con boro, y como cátodo una placa de 2 mm de acero inoxidable (AISI 304). Se aplicó una densidad de corriente de 70 mA cm-2 y una concentración de electrolito en disolución Na2SO4 = 50 mM.
La lámpara de radiación UV (7) empleada en este ejemplo es de mercurio de baja presión de la marca Heraeus TNN-1532 de 15 W de potencia que emite radiación principalmente a 254 nm. El volumen de disolución fue 350 ml en todos los experimentos.
La capacidad del reactor de aplicar tres procesos de oxidación simultáneos y en el mismo lugar se traduce en un aumento considerable de la velocidad de oxidación con respecto a los procesos de tratamiento más convencionales, simples o binarios, tal y como se observa en la figura 2.
Como puede observarse en esta figura 2, y con respecto a la cinética de oxidación, la velocidad observada para el proceso triple en comparación a los procesos simples y binarios es considerable. Aunque los costes instantáneos de tratamiento sean superiores para un proceso triple, la reducción considerable de los tiempos de tratamiento se traduce en un descenso del coste global de tratamiento.
Referente a los niveles de degradación de fenol alcanzados a los 60 minutos de tratamiento (ver la figura 3), puede concluirse una clara sinergia del proceso triple desarrollado en el reactor (EO/O3/UV), demostrándose, por lo tanto, las ventajas del reactor de acuerdo con la presente invención.
La siguiente figura 4 muestra la capacidad de mineralización de fenol (transformación hasta CO2 y H2O) obtenida para cada uno de los procesos. Al igual que en el caso anterior, se demuestra claramente las mejoras alcanzadas por este reactor triple en comparación con otros sistemas de oxidación simples o duales.
Claims (9)
1. Reactor para el tratamiento de aguas, que comprende:
- una carcasa (1) provista de una entrada (11) y una salida (12);
- al menos un par de electrodos (4), ánodo y cátodo, colocados en el interior de dicha carcasa (1), que proporciona oxidación electroquímica;
caracterizado por que también comprende:
- un ozonizador (2) conectado a la entrada (11) de la carcasa (1); y
- una lámpara de radiación ultravioleta (7) colocada en el interior de la carcasa (1).
2. Reactor para el tratamiento de aguas de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el al menos un par de electrodos (4) están montados sobre un soporte (5) provisto de orificios colocado en el interior de la carcasa (1).
3. Reactor para el tratamiento de aguas de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, que también comprende una placa porosa (6) colocada entre la entrada (11) de la carcasa (1) y el al menos un par de electrodos (4).
4. Reactor para el tratamiento de aguas de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el ozonizador (2) está conectado a una fuente de oxígeno (3).
5. Reactor para el tratamiento de aguas de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la lámpara de radiación ultravioleta (7) está dispuesta en el interior de un pozo de cuarzo.
6. Reactor para el tratamiento de aguas de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la carcasa (I) comprende una doble camisa (8) con agua circulante para su refrigeración.
7. Reactor para el tratamiento de aguas de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la entrada ( I I ) de la carcasa (1) está situada en la parte inferior de la misma.
8. Reactor para el tratamiento de aguas de acuerdo con la reivindicación 1 o 5, en el que la lámpara de radiación ultravioleta (7) está colocada longitudinalmente en el interior de la carcasa (1).
9. Reactor para el tratamiento de aguas de acuerdo con la reivindicación 1, 5 u 8, en el que la lámpara de radiación ultravioleta (7) es de mercurio de baja presión o de diodos emisores de luz.
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