Procesos de Oxidación Avanzada

Los Procesos de Oxidación Avanzada (AOPs) se refieren a un conjunto de tratamientos de agua oxidantes altamente efectivos que se usan para tratar efluentes tóxicos a nivel industrial, hospitales y plantas de aguas residuales, pero no son empleados habitualmente a nivel doméstico. Los AOPs son adecuados para transformar compuestos orgánicos tóxicos (por ejemplo, medicamentos, pesticidas, disruptores endocrinos, etc.) en sustancias biodegradables. En general, los AOPs son de instalación económica, pero requieren costes de operación elevados debido a los requisitos de energía y compuestos químicos. Se utilizan habitualmente en plantas de tratamiento de agua residual urbana como paso final para eliminar microcontaminantes del efluente o para la desinfección del agua. La combinación de varios AOPs es un modo eficiente de mejorar la eliminación de contaminantes y reducir costes.


Proceso de desinfección UV en la estación depuradora de aguas residuales de Bens (A Coruña, España)

Son muchos los métodos clasificados bajo la amplia definición de AOPs. La siguiente tabla muestra algunos de los procesos más estudiados. La oxidación avanzada generalmente usa agentes oxidantes fuertes como peróxido de hidrógeno (H2O2) u ozono (O3), catalizadores (cationes de hierro, electrodos, óxidos metálicos) e irradiación (con luz UV, luz solar, ultrasonidos) por separado o combinados, en condiciones suaves (presión y temperatura bajas). Entre los distintos AOPs disponibles, aquellos que emplean la luz solar resultan particularmente atractivos debido a la abundancia de radiación en las regiones de mayor escasez de agua, y por su bajo coste relativo y elevada eficiencia. En particular, la fotocatálisis heterogénea solar es la técnica más prometedora ya que no utiliza compuestos químicos y apenas precisa energía, por lo que resulta muy sostenible.

AOPs a oscurasAOPs que emplean luz
Ozonización (O3)Fotólisis (UV o UV + H2O2)
Fenton (Fe2+ + H2O2)Fotocatálisis (luz + fotocatalizador)
Electrólisis (electrodos + electricidad)Foto-Fenton (luz + Fenton)
Sonólisis (ultrasonidos)

La oxidación avanzada implica varios pasos que se resumen del siguiente modo:

  • Formación de oxidantes fuertes, en particular radicales hidroxilo (HO).
Hydroxyl_radical
  • Reacción de estos oxidantes con los contaminantes orgánicos presentes en el agua, para producir intermedios biodegradables.
  • Reacción de los intermedios biodegradables con más oxidantes hasta su degradación completa (con producción de agua, dióxido de carbono y sales inorgánicas), conocida como mineralización.
Fotocatalizadores

La fotocatálisis consiste en la aceleración de una fotorreacción por la presencia de un catalizador. Cuando un semiconductor es irradiado con luz de mayor energía que la banda prohibida (BP), esa energía es absorbida y los electrones son excitados de la banda de valencia (BV) a la banda de conducción (BC) dando lugar a la formación de pares electrón-hueco (e/h+). Si estas cargas alcanzan la interfase agua-semiconductor pueden participar en reacciones redox.

CienciaASDIS3Fotocatalizador

Cuando un aceptor de electrones (normalmente oxígeno disuelto, O2) y un donante de electrones (generalmente anión hidroxilo, HO) son adsorbidos sobre la superficie de una partícula de semiconductor, puede tener lugar una serie de transferencias electrónicas en las que se producen diversas especies reactivas de oxígeno (ROS). Las ROS son oxidantes muy activos y no selectivos, especialmente el radical hidroxilo (HO). Las ROS no sólo pueden destruir una amplia variedad de contaminantes químicos en el agua, sino que también provocan daños fatales a los microorganismos por la alteración de la membrana celular o atacando a su ADN y ARN.

 

 

El semiconductor más empleado en fotocatálisis es el TiO2. Por ello, la mayoría de los artículos publicados se refieren a este compuesto, puro o combinado:

Tomado de L. Zhao et al. Science of the Total Environment 627 (2018) 1253-1263

Estos estudios científicos muestran que los fotocatalizadores en suspensión son más eficientes debido a la mayor área superficial disponible para la reacción. El mayor inconveniente de utilizar nano o micropartículas en suspensión es la necesidad de recuperar o reciclar el catalizador tras el tratamiento, lo que aumenta el coste y complejidad del proceso. Es por ello que los fotocatalizadores con TiO2 soportado han recibido mayor atención. Desafortunadamente, al inmovilizar el catalizador sobre un sustrato se reduce el área de reacción, limitando la transferencia de reactivos a la superficie, además de incrementarse el coste. Por otro lado, también surge el problema de la estabilidad mecánica de la película fotocatalítica.


Se ha estudiado desde 1985 la capacidad del TiO2 para inactivar un gran espectro de organismos patógenos. E. coli es el microorganismo más empleado en estudios de desinfección de agua, ya que es un importante indicador de contaminación fecal, así como un referente de la calidad del agua. También se han podido inactivar mediante fotocatálisis con TiO2 otras bacterias (incluyendo especies que forman esporas) y hongos, como son Bacillus pumilus, Serratia marcescens, Staphylococcus aureus, coliformes totales, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella typhimurium, Enterobacter cloacae, Saccharomyces cerevisiae, Candida albicans, y Fusarium solani. Además, este proceso también ha logrado inactivar fitopatógenos presentes en el agua como las esporas de Fusarium solani, Fusarium oxysporum, Fusarium verticillioides, Fusarium equiseti y Fusarium anthophilum. También se han investigado otros agentes infecciosos, como virus y priones, y algunos autores han demostrado la capacidad del TiO2 irradiado para degradarlos e inactivarlos en agua. Por último, se ha observado la facultad de este semiconductor soportado para inactivar los ooquistes de Cryptosporidium parvum con radiación solar.


Hasta ahora, la aplicación generalizada de esta técnica se ha visto principalmente obstaculizada por la falta de fotocatalizadores apropiados que combinen eficiencia y bajo coste con estabilidad mecánica y facilidad de uso y reutilización. Pero estos problemas se resuelven con el fotocatalizador de ASDIS (patente solicitada en la Oficina Española de Patentes y Marcas en Madrid, solicitud número P202031314, con fecha de prioridad 29 de diciembre de 2020, y en el Servicio Nacional de Derechos Intelectuales de Ecuador, solicitud número SENADI-2021-16937, con fecha de prioridad 10 de marzo de 2021), donde el semiconductor no está simplemente adherido a la superficie del material de soporte, sino que están mezclados homogéneamente para formar un composite barato, voluminoso y de fácil recuperación.

ASDIS - Publicaciones científicas

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Silvio Aguilar, Daniel R. Ramos, Daniel Rosado, Javier Moreno-Andrés, Briggitte Guerrero, Jimmy Fernández, J. Arturo Santaballa, Moisés Canle

18th European Symposium on Organic Reactivity (ESOR2021), Online, Septiembre 2021

 

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Zenydia Marín R., Paula Martinez L., Silvio Aguilar, Daniel R. Ramos, J. Arturo Santaballa, Moisés Canle

18th European Symposium on Organic Reactivity (ESOR2021), Online, Septiembre 2021

 

Fotocatalizador simple, económico y efectivo para la degradación de contaminantes orgánicos en medio acuoso

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Elemento fotocatalizador para descontaminación de fluidos

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