procesos de oxidación avanzada

74 Pages·2017·1.22 MB·Spanish

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS
INDUSTRIALES Y DE TELECOMUNICACIÓN

UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

Trabajo Fin de Grado

PROCESOS DE OXIDACIÓN AVANZADA:
AVANCES RECIENTES Y TENDENCIAS
FUTURAS
(Advanced oxidation processes: recent
advances and future trends)

Para acceder al Título de

Graduada en Ingeniería Química

Autora: Deva Pelayo Torices

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación

TÍTULO Procesos de oxidación avanzada: avances recientes y tendencias
futuras
AUTOR Deva Pelayo Torices
DIRECTOR/CODIRECTOR María José Rivero Martínez
TITULACIÓN Grado en Ingeniería Química FECHA 23/07/2018

PALABRAS CLAVE

Procesos de oxidación avanzada; avances; tendencias.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El reciente incremento de la contaminación de las aguas ha generado la necesidad de
una mayor purificación de las mismas para adaptarse a las normativas. Los procesos
convencionales de descontaminación de aguas, en ocasiones, no han resultado eficaces
para alanzar el grado de pureza requerido. Por ello, ha sido necesario el desarrollo de
nuevos procesos que consigan eliminar o reducir los contaminantes más eficazmente.
Estos procesos se han llamado Procesos de Oxidación Avanzada (AOPs).

Los AOPs se basan en la generación y uso de radicales hidroxilo u otras especies
oxidantes, a una temperatura y presión cercana a la ambiente. Se han utilizado para
purificar el agua, eliminando los contaminantes y consiguiendo su mineralización a CO ,
2
H O y sales o ácidos inorgánicos.
2

Actualmente, se ha observado una tendencia creciente en la investigación de estos
procesos, por lo que se ha decidido recopilarlos y unificarlos en un único trabajo,
ofreciendo una visión global de ellos.

Se han agrupado en función de sus principales características, dividiéndolos entre
métodos no fotoquímicos y métodos fotoquímicos. A su vez, los métodos no
fotoquímicos se han diferenciado en métodos con ozono, procesos basados en Fenton,
electro-oxidación, y otros avances como los radicales basados en sulfatos y los métodos
asistidos con otras fuentes de energía. Por otra parte, los métodos fotoquímicos se han
dividido en UV/H O , foto-Fenton y fotocatálisis heterogénea.
2 2

El objetivo de este trabajo ha sido la investigación y el análisis de los últimos avances en
los AOPs y sus tendencias futuras, así como las mejoras a realizar en futuras
investigaciones para conseguir implementar estas tecnologías a mayor escala y
conseguir importantes avances en la descontaminación de las aguas y, por tanto, en la
sostenibilidad del ambiente; todo esto ofreciendo un enfoque global para poder
comparar y comprender los campos más factibles en los que seguir investigando.
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RESULTADOS Y CONCLUSIONES

Las principales tendencias observadas en el campo de los AOPs han sido los procesos
híbridos, la introducción de nanomateriales y el cambio de las fuentes de energía y de
radiación.

El incremento de los procesos híbridos, es decir, la combinación de diferentes AOPs
individuales, se ha debido a la mejora de la eficacia de mineralización de los
contaminantes, además de la reducción los problemas de los procesos individuales.
Consiguiendo la eliminación de compuestos aromáticos, tintes, compuestos
farmacéuticos y pesticidas.

La inclusión de los nanomateriales en los AOPs es debida a las propiedades únicas de
ellos y las grandes ventajas que le confieren a los procesos, logrando una máxima
eficacia con mínima energía.

Por otra parte, se encuentran las modificaciones en las fuentes energéticas. Los
procesos asistidos con otras fuentes de energía, como ultrasonidos o microondas, se
prevén con buenas perspectivas, ya que son capaces de aumentar la producción de
radicales hidroxilo y generar peróxido de hidrógeno in situ, reduciendo así la cantidad
de reactivos y los costes. En las tecnologías fotoquímicas, la nueva tendencia es la
utilización de diferentes fuentes de radiación, como son los dispositivos LED, los paneles
fotovoltaicos o la combinación de ambos.

BIBLIOGRAFÍA

• Escudero, C. J., Iglesias, O., Dominguez, S., Rivero, M. J., & Ortiz, I. (2017).
Performance of electrochemical oxidation and photocatalysis in terms of kinetics
and energy consumption. New insights into the p-cresol degradation. Journal of
Environmental Management, 195, 117–124.
https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2016.04.049
• Gómez-Pastora, J., Dominguez, S., Bringas, E., Rivero, M. J., Ortiz, I., & Dionysiou,
D. D. (2017). Review and perspectives on the use of magnetic
nanophotocatalysts (MNPCs) in water treatment. Chemical Engineering Journal,
310(2), 407-427. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.04.140
• Matafonova, G., & Batoev, V. (2018). Recent advances in application of UV light-
emitting diodes for degrading organic pollutants in water through advanced
oxidation processes: A review. Water Research, 132, 177-189.
https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.12.079
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación

TITLE Advanced oxidation processes: recent advances and future trends
AUTHOR Deva Pelayo Torices
DIRECTOR/CODIRECTOR María José Rivero Martínez
DEGREE Degree in Chemical Engineering DATE 23/07/2018

KEYWORDS

Advanced Oxidation Processes; advances; trends.

SCOPE

The recent increase in water pollution has generated the need for greater purification
of water to adapt to regulations. The conventional processes of decontamination of
water, sometimes, have not been effective to achieve the required degree of purity. For
this reason, it has been necessary to develop new processes that manage to eliminate
or reduce pollutants more effectively. These processes have been called Advanced
Oxidation Processes (AOPs).

The AOPs are based on the generation and use of hydroxyl radicals or other oxidizing
species, at a temperature and pressure close to the environment. They have been used
to purify water, eliminating contaminants and getting their mineralization to CO , H O
2 2
and salts or inorganic acids.

Currently, there has been a increasing trend in the investigation of these processes, so
it has been decided to collect and unify them in a single work, offering a global view of
them.

They have been grouped according to their main characteristics, dividing them between
non-photochemical methods and photochemical methods. At the same time, non-
photochemical methods have differentiated into methods with ozone, Fenton-based
processes, electro-oxidation, and other advances such as sulphate-based radicals and
assisted methods with other energy sources. On the other hand, the photochemical
methods have been divided into UV/H O , photo-Fenton and heterogeneous
2 2
photocatalysis.

The objective of this work has been the investigation and the analysis of the last
advances in the AOPs and their future perspectives, as well as the improvements to be
made in the last investigations to achieve to implement these technologies at a higher
level and to achieve important advances in the decontamination of water and,
therefore, environmental sustainability; all this offers a global approach to be able to
compare and understand the most feasible fields in which to continue researching.

RESULTS AND CONCLUSIONS

The main trends observed in the field of AOPs have been hybrid processes, the
introduction of nanomaterials and the change of energy sources and radiation.
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The increase of the hybrid processes, that is, the combination of different individual
AOPs, has been due to the improvement of the mineralization efficiency of the
contaminants, in addition to the reduction of the problems of the individual processes.
Achieving the elimination of aromatic compounds, dyes, pharmaceutical compounds
and pesticides.

The inclusion of nanomaterials in the AOPs is due to the unique properties of them and
the great advantages that they give to the processes, achieving maximum efficiency with
minimum energy.

On the other hand, there are modifications in energy sources. Assisted processes with
other energy sources, such as ultrasounds or microwaves, are predicted with good
prospects, because they are able to increase the production of hydroxyl radicals and
generate hydrogen peroxide in situ, thus reducing the amount of reactants and costs. In
photochemical technologies, the new trend is the use of different sources of radiation,
such as LED devices, photovoltaic panels or the combination of both.

REFERENCES

• Escudero, C. J., Iglesias, O., Dominguez, S., Rivero, M. J., & Ortiz, I. (2017).
Performance of electrochemical oxidation and photocatalysis in terms of kinetics
and energy consumption. New insights into the p-cresol degradation. Journal of
Environmental Management, 195, 117–124.
https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2016.04.049
• Gómez-Pastora, J., Dominguez, S., Bringas, E., Rivero, M. J., Ortiz, I., & Dionysiou,
D. D. (2017). Review and perspectives on the use of magnetic
nanophotocatalysts (MNPCs) in water treatment. Chemical Engineering Journal,
310(2), 407-427. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.04.140
• Matafonova, G., & Batoev, V. (2018). Recent advances in application of UV light-
emitting diodes for degrading organic pollutants in water through advanced
oxidation processes: A review. Water Research, 132, 177-189.
https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.12.079
ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 5
1.1. Antecedentes y estado del arte ............................................................................. 6
1.2. Objetivo ............................................................................................................... 12
2. Descripción de los métodos no fotoquímicos ............................................. 13
2.1. Métodos con ozono ............................................................................................. 13
2.1.1. Ozonización ...................................................................................................... 14
2.1.2. O /H O ............................................................................................................ 15
3 2 2
2.1.3. Ozonización catalítica ...................................................................................... 16
2.2. Procesos basados en Fenton ............................................................................... 18
2.2.1. Electro-Fenton ................................................................................................. 21
2.2.2. Procesos Fenton heterogéneos ....................................................................... 24
2.2.2.1. Minerales de óxido de hierro ....................................................................... 25
2.2.2.2. Materiales de soporte .................................................................................. 26
2.2.2.3. Hierro cerovalente ....................................................................................... 27
2.3. Electro-oxidación ................................................................................................. 30
2.4. Radicales basados en sulfatos ............................................................................. 32
2.5. Asistido con ultrasonidos y microondas .............................................................. 34
3. Descripción de los métodos fotoquímicos ................................................... 39
3.1. UV/H O ............................................................................................................... 41
2 2
3.2. Foto-Fenton ......................................................................................................... 43
3.3. Fotocatálisis heterogénea ................................................................................... 47
4. Avances e interacciones entre las distintas tecnologías .......................... 50
4.1. AOPs con nanomateriales ................................................................................... 50
4.2. Consideraciones energéticas de los procesos ..................................................... 53
1
4.2.1. LEDs .................................................................................................................. 53
4.2.2. Paneles fotovoltaicos ....................................................................................... 55
4.3. Costes .................................................................................................................. 56
4.4. Agua potable: desinfección y eliminación de materia orgánica natural (MON) . 59
5. Conclusiones e investigaciones futuras ........................................................ 63
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 65

LISTADO DE FIGURAS Y TABLAS
FIGURAS
Figura 1. Tendencias de investigación en el campo de los AOPs. .................................... 7
Figura 2. Tendencias de los AOPs no fotoquímicos. ......................................................... 8
Figura 3. Tendencia de los AOPs fotoquímicos. ............................................................. 10
Figura 4. Tendencias de los últimos años en AOPs con nanomateriales. ...................... 11
Figura 5. Equipos y proceso de la ozonización húmeda. ................................................ 16
Figura 6. DAFO de los métodos con ozono. ................................................................... 18
Figura 7. Esquema del proceso electro-Fenton .............................................................. 23
Figura 8. DAFO de la electro-oxidación. ......................................................................... 31
Figura 9. Proceso de radicales sulfato con nanomateriales. .......................................... 33
Figura 10. Análisis DAFO del método de radicales sulfato ............................................. 33
Figura 11. Equipo de Fenton asistido con ultrasonidos. ................................................ 36
Figura 12. Análisis DAFO de los procesos asistidos. ....................................................... 38
Figura 13. Análisis DAFO del proceso UV/H O . ............................................................. 42
2 2
Figura 14. Proceso foto-Fenton-like con óxido de hierro. .............................................. 44
Figura 15. Equipo para la combinación de UV con MW para Fenton. ........................... 46
Figura 16. Análisis DAFO de foto-Fenton. ...................................................................... 47
Figura 17. Proceso electrón-hueco con nanomaterial TiO . .......................................... 49
2
Figura 18. Análisis DAFO de la fotocatálisis heterogénea. ............................................. 47
Figura 19. Análisis DAFO de los métodos con nanomateriales. ..................................... 52
Figura 20. Diagrama explicativo de la complementación entre LED y PV. ..................... 56
2
Figura 21. Esquema de los procesos para la eliminación de NOM. ............................... 62

TABLAS
Tabla 1. Publicaciones de los diferentes métodos asistidos con microondas. ................ 8
Tabla 2. Publicaciones de los diferentes métodos asistidos con ultrasonidos. ............... 9
Tabla 3. Publicaciones de los diferentes AOPs en combinación con nanomateriales. .. 11
Tabla 4. Comparativa de los procesos Fenton. .............................................................. 29
Tabla 5. Comparativa del Fenton clásico con el Fenton ultrasonido. ............................ 35
Tabla 6. Longitudes de onda en los diferentes procesos UV. ........................................ 40

NOMENCLATURA
AOP Procesos de oxidación avanzada
ARB Bacteria resistente a los antibióticos
ARG Genes resistentes a los antibióticos
DBP Subproductos de desinfección
DQO Demanda química de oxígeno
EAOP Procesos de oxidación avanzada electroquímicos
E Energía eléctrica por orden
EO
EF Electro-Fenton
LED Diodo emisor de luz
LP Baja presión (referido a lámparas de mercurio)
MNPC Nanofotocatalizador magnético
MP Presión media (referido a lámparas de mercurio)
MWEUV Lámpara de ultravioleta microondas sin electrodo
MW Microondas
NOM Materia orgánica natural
nZVI Nano hierro cerovalente
OBP Subproductos de oxidación
PMS Peroximonosulfato
PS Persulfato
PV Energía fotovoltaica
POU Punto de uso
ROS Especies de oxígeno reactivas
SDBS Dodecilbenceno sulfonato de sodio
TrOCs Contaminantes emergentes
UV Ultravioleta
ZVI Hierro cerovalente

3
4