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Artículo de Revisión

Resumen

Para la minimización de los impactos causados enlos recursos hídricos por las industrias, en los últimosaños se han implementado los procesos de oxidaciónavanzada (POA) como una alternativa tecnológica-mente viable y novedosa para el tratamiento de losefluentes líquidos de dichas empresas. Los POA con-sisten básicamente en la formación de radicaleshidróxilo altamente oxidantes, los cuales contribuyena la mineralización total de los compuestos contami-nantes presentes en los efluentes industriales. Entrelos procesos más utilizados se encuentra lafotocatálisis que consiste en la aceleración de unafotoreacción mediante un catalizador. En el presenteartículo se realiza una revisión de los POA, concen-trándose en los procesos de fotooxidación.

Palabras Clave: oxidación, tratamiento de losefluentes, fotólisis, fotocatálisis, fotooxidación.

La fotocatálisis como alternativa para el tratamientode aguas residuales

Luis Fernando Garcés Giraldo 1 / Edwin Alejandro Mejía Franco 2 / Jorge Julián Santamaría Arango 3

1 Ingeniero Sanitario. Especialista en Cuencas Hidrográficas. Especialista en Ingeniería Ambiental. Magíster en IngenieríaAmbiental. Decano Facultad de Ingeniería Ambiental, Corporación Universitaria Lasallista. / 2 Estudiante Ingeniería Ambiental,

Corporación Universitaria Lasallista / 3 Estudiante Ingeniería Ambiental, Corporación Universitaria Lasallista

Correspondencia: Luis Fernando Garcés Giraldo. e-mail: lugarces@lasallista.edu.co

Línea de investigación: Tratamiento de Aguas. Semillero de investigación en Gestión y Medio Ambiente SIGMA

Photocatalysis as an alternative to treart waste water

Abstract

To minimize the impacts caused by industries in watersources, the advanced oxidation processes (POA inSpanish) have been established as a technologicallypossible and really new alternative to treat the liquidwaste produced by those industries.

The POA are, basically, forms of hydroxyls radicalshighly oxidative, and they contribute to the totalmineralization of the contaminant compoundscontained in industrial liquids wastes. Among the mostused processes we have photo catalysis, which is anacceleration of a photo reaction by the use of acatalyzer. In this article we make a review of the POA,focusing on the photo oxidation processes.

Key words: Oxidation, liquid waste treatment,photolysis, photo catalysis, photo oxidation.

Introducción

La necesidad de preservar el medio ambiente hallevado a la búsqueda de nuevos métodos para laeliminación eficiente de los compuestos químicosque alteran la estabilidad de nuestros recursos.La contaminación del agua es un hecho de granimportancia ya que los contaminantes puedenacumularse y transportarse tanto por las aguassuperficiales como subterráneas para las cualesla fuente principal de daño son las aguas residua-les municipales e industriales.

La protección y conservación de los recursos na-turales constituyen hoy en día una de las princi-

pales preocupaciones sociales. Entre estos re-cursos se destaca en primer lugar el agua comoun bien preciado y escaso, lo que conduce a suadecuado uso y reciclaje, debido a que las nor-mas legales imponen criterios cada vez más es-trictos para obtener una mayor y mejor depura-ción de las aguas que están contaminadas conaltas concentraciones de pesticidas, metales pe-sados y colorantes, entre otros contaminantes.

El tratamiento de los residuos líquidos puede serun problema muy complejo debido a la gran va-riedad de químicos y sus niveles de concentra-ción, pero gracias a las investigaciones realiza-das acerca de los efectos de ciertos contaminan-

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tes, se han generado nuevas tecnologías entrelas cuales cabe mencionar el tratamiento de oxi-dación fotocatalítico, el cual presenta una ventajasobre las técnicas comúnmente utilizadas comoel tratamiento primario y secundario. Estos trata-mientos, en especial los secundarios, permitendisminuir la alta carga orgánica bajando la DQOy la DBO de los efluentes, pero son ineficaces enla eliminación del color y toxicidad debido a la pre-sencia de estructuras polifenólicas. Por otro lado,estos tratamientos son muy sensibles a los pará-metros de operación tales como pH, temperaturay presencia de tóxicos que pueden inhibir la acti-vidad microbiológica.1, 2

Por su parte, la oxidación fotocatalítica consisteen la destrucción de los contaminantes medianteel empleo de radiación solar ultravioleta y cataliza-dores con el objeto de formar radicales hidroxilo,los cuales posteriormente tendrán un efecto oxi-dante sobre los contaminantes químicos. En esteproceso la oxidación tiene lugar directamente enla superficie de la partícula que se utiliza comocatalizador o semiconductor (TiO

2, entre otros),

siendo la radiación solar la única fuente de ener-gía. La fotocatálisis heterogénea mediada por TiO

2

y la fotooxidación mediada por compuestos férri-cos son dos alternativas atractivas para el trata-miento de aguas.2 - 4

Procesos de oxidación avanzada

La oxidación avanzada

Los procesos de oxidación avanzada (POA) cons-tituyen en el futuro una de las tecnologías más uti-lizadas en el tratamiento de las aguas contamina-das con productos orgánicos recalcitrantes prove-nientes de industrias (químicas, agroquímicas, tex-tiles, de pinturas, etc.). Entre estos procesos losde mayor perspectiva son los de la fotooxidaciónen sus dos variantes: fotólisis y fotocatálisis.3, 5-11

Los POA pueden definirse como procesos queimplican la formación de radicales hidroxilo (OHº)altamente reactivos ya que presentan un elevadopotencial de oxidación (Eº = 2.8 V), característicaque lo hace de gran efectividad para el procesode oxidación de compuestos orgánicos principal-mente por abstracción de hidrógeno; es decir, segeneran radicales orgánicos libres (reacción 1),los cuales pueden reaccionar con oxígeno molecu-

lar para formar peroxiradicales (reacción 2). In-cluso pueden iniciarse reacciones de oxidaciónen serie que pueden conducir a la mineralizacióncompleta de los compuestos orgánicos.3, 6, 12

Las ventajas de los POA son:3, 7-11

• Capacidad potencial para llevar a cabo una profun-da mineralización de los contaminantes orgánicosy oxidación de los compuestos inorgánicos hastadióxido de carbono e iones (cloruros, nitratos).

• Reactividad con la mayoría de compuestos or-gánicos, hecho principalmente interesante si sequiere evitar la presencia de subproductos po-tencialmente tóxicos presentes en los contami-nantes originales que pueden crearse median-te otros métodos.

• Descomposición de los reactivos utilizadoscomo oxidantes en productos inocuos.

La radiación solar y aplicaciones en la fotoca-tálisis

A partir del siglo XX la interacción de la materiacon la luz se realiza desde el punto de vista mi-croscópico, considerándola como un proceso deabsorción de un fotón que conlleva la creación deun par electrón-hueco o la emisión o destrucciónde un fotón creando excitaciones. La materiapuede interactuar con la luz en un amplio rangode longitudes de onda y con diversos cambios enla estructura de las moléculas. Las radiacionescerca al espectro visible o ultravioleta (240-700nm)interactúan con los electrones de una molécula yestas reacciones son las más importantes desdeel punto de vista ambiental. 12

La luz solar es una energía directa, primaria, abun-dante y barata que en muchos casos es absorbi-da por compuestos químicos para producir pro-cesos fotolíticos. La interacción de la luz con lossistemas moleculares se da a escala moleculardonde ésta interactúa con un fotón (reacción 3),en la que A representa el estado fundamental dela molécula, hv es el fotón absorbido y Aº la molé-cula en estado excitado. 12

OHº + RH → Rº +H2O Reacción 1

Rº + O2 → RO2º → productos + CO2 Reacción 2

A + hv → Aº Reacción 3

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Si los radicales libres (Rº) reaccionan con el oxí-geno, forman radicales peroxilo (ROOº) los cua-les son bastante estables. Si el oxígeno disueltoes ausente o insuficiente, estos radicales librespueden reaccionar bien por recombinación odismutación. 3

La fotooxidación

La luz promueve reacciones de oxidación inicia-das por la presencia de radicales libres. Para queestos procesos se lleven a cabo es necesaria lapresencia de agentes oxidantes, los que permi-ten la formación de dichos radicales, de los cua-les los más reconocidos y utilizados son el peróxi-do de hidrógeno, el ozono, etc. Entre los distin-tos procesos de aplicación para el tratamiento deaguas, la combinación de radiación ultravioleta yel peróxido de hidrógeno es muy interesante cuan-do se desea un agua con un alto grado de pure-za. Este POA implica la formación de radicaleshidroxilo. Como se mencionó anteriormente, elperóxido de hidrógeno es un potente agente oxi-dante no selectivo y una excelente fuente de radi-cales libres; es además un aditivo deseable ecoló-gicamente ya que durante su descomposiciónúnicamente se genera agua y/o oxígeno. Desdefinales de los años sesenta muchos autores handemostrado el éxito de la fotooxidación con peró-xido de hidrógeno. El éxito del proceso radica enla formación estequiométrica de radicales hidroxilo(OHº) a partir de la descomposición fotocatalíticadel H

2O

2. 3, 8

El mecanismo más normalmente aceptado parala fotólisis de H

2O

2 es la ruptura del enlace O-O

por la acción de la luz ultravioleta.3, 6

El rendimiento cuántico de este proceso es muyelevado, formándose como máximo dos radica-les hidroxilo, e invariable con la longitud de ondaaplicada. Al igual que en la fotólisis, a partir delos (ºOH) se forman los radicales C-centrados queen presencia de oxígeno forman radicales peroxilointermedios, claves en las reacciones de oxida-ción y la completa mineralización de los compues-tos. Los radicales reaccionan con la materia or-gánica según las reacciones de abstracción delhidrógeno (reacción 11), adición (reacción 12) y

La fotólisis

Los métodos fotolíticos para la degradación de con-taminantes disueltos en el agua se basan en pro-porcionar energía a los compuestos químicos enforma de radiación, que es absorbida por las distin-tas moléculas para alcanzar estados excitados enel tiempo necesario para experimentar reacciones.6

En presencia de radiación ultravioleta se producela fotólisis de un gran número de compuestos or-gánicos. El proceso tiene lugar en el dominio delUV-C (210– 230nm) y se basa en la formaciónde radicales C-centrados; es decir, radicales libres(reacción 3). 3, 8, 10,12

La eficiencia del proceso depende principalmen-te de la capacidad de absorción de radiación y dela presencia de otros compuestos que absorbenla misma longitud de onda. En los procesos deoxidación fotolíticos normalmente se utilizan lám-paras de mercurio de baja presión (254nm, 471KJ/mol) empleadas tanto en la desinfección comoen la depuración de las aguas. Sin embargo esnecesario llevarlas a longitudes de onda más ba-jas (170-200nm), ya que llevan asociada unamayor energía (704-598 KJ/mol) y son más efi-cientes en la ruptura de los enlaces de los com-puestos orgánicos. 3, 8, 12

Igualmente, la eficiencia de degradación de com-puestos a partir de la luz absorbida se mide a tra-vés del rendimiento cuántico, el cual se define comola relación entre el número de moléculas quereaccionan y el número de fotones absorbidos.6, 12, 13

Un aspecto a tener en cuenta es la presencia deoxígeno en el proceso de oxidación. Se ha pro-bado en la fotólisis la existencia de diferentesreacciones en función de la distancia a la fuentede radiación, debido a la diferente concentraciónde oxígeno presente. Durante el proceso defotólisis de la materia orgánica se presentan lassiguientes reacciones:3

H2O + hv → Hº + OHº Reacción 4

HOº + RH → H2O +Rº Reacción 5

Rº + O2

→ ROOº Reacción 6

Rº + Rº → R-R Reacción 7

ROOº + O2 → CO2 +H20 + .. Reacción 8

Hº + O2

→ HO2º Reacción 9

H2O

2 + hv → OH + ºOH Reacción 10

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HOº + RH → Rº + H2O Reacción 11

X2C=CX

2 +HOº → X

2C(HO)-CX

2Reacción 12

HOº + RX → OH + XR Reacción 13

por las reacciones de transferencia de electrones(reacción 13).3

Cabe anotar que los radicales hidroxilo noreaccionan, o lo hacen lentamente, con alcanospoli, per-clorados o fluorados ya que no puedengenerarse radicales C-centrados por abstraccióndel hidrógeno. 3

Fotocatálisis con reactivo Fenton

La adición de sales de hierro como catalizador enpresencia de peróxido de hidrógeno, conocidacomo reactivo Fenton, es uno de los métodos clá-sicos de producción de radicales hidroxilo resul-tando así uno de los agentes oxidantes más po-tentes a pH ácidos (pH 3 – 5). El hierro puedeser añadido como sal ferrosa o férrica. Estos ra-dicales inician una cadena de reacciones paraeliminar toda la materia oxidable. 3, 6, 8, 14, 15

Recientemente se ha descubierto cómo lareacción UV/visible acelera las reacciones fenton(H

2O

2/Fe3+, Fe2-), favoreciéndose así la degrada-

ción de contaminantes orgánicos, incluidos com-puestos aromáticos y alifáticos. Este reactivo pre-senta una mayor efectividad a pH ácido, debido ala aparición de hidróxidos de hierro como precipi-tados coloidales a pH mayor de 3, lo cual hacenecesario su separación mediante un procesoadicional de tipo coagulación, sedimentación o fil-tración. Además, algunos intermedios de reac-ción pueden alterar la reactividad del hierro debi-do a la formación de complejos. Cuando se tie-nen pH inferiores a 3 la reacción es autocatalítica,ya que el Fe(III) descompone el H

2O

2 en O

2 y en

H2O . 3, 8, 12, 15

Las principales sales conocidas que son utilizadasen este proceso de oxidación son el floruro, bromuroy cloruro. El cloruro de hierro generalmente se en-cuentra hexahidratado (FeCl

3.6H

2O) y en la forma

Fe2+ + H2O

2→ Fe3+ + OHº + OH Reacción 14

Fe3+ + H2O

2→ Fe2+ + O

2Hº + OH+ Reacción 15

de grumos amarillos. Además del Fe3+ existen otrasespecies que son fotoactivas tales como FeOH

2+ y

Fe2(OH)4+ y su importancia depende del pH y de la

longitud de onda de la reacción. 15

En las reacciones de fenton tradicional el Fe2+ ac-túa como catalizador en la descomposición delH

2O

2 dando lugar a la formación de radicales OH

(reacción 14) en esta reacción los iones Fe3+ sevan acumulando a medida que los Fe2+ se consu-men y la reacción finalmente se detiene. En esteproceso se intenta solucionar este problema me-diante la regeneración fotoquímica de los iones Fe2+

reduciendo el ion férrico según la reacción 16. 12, 14

Fotocatálisis heterogénea con dióxido detitanio (TiO2)

Como ya se ha mencionado, la fotocatálisis impli-ca la combinación de la fotoquímica con lafotocatálisis. Ambos, luz y catalizador, son nece-sarios para alcanzar o acelerar una reacción quí-mica. Así, la fotocatálisis puede ser definida comola aceleración de una fotoreacción mediante uncatalizador. En el caso de la fotocatálisisheterogénea, se emplean semiconductores (sóli-dos en suspensión acuosa o gaseosa). Existenmúltiples de estos fotosensibilizadores tales como:Al

2O

3, ZnO, Fe

2O

3 y TiO

2. Sin embargo, el más

ampliamente usado en aplicaciones fotocatalíticases el dióxido de titanio Degussa p25 en forma deanatasa 99% y en forma de rutilo 1%, ya que pre-senta una mayor actividad fotocatalítica, no estóxico, es estable en soluciones acuosa y no escostoso, habiéndose evaluado diferentes estruc-turas del mismo.3, 6, 8, 14, 16- 21

Cuando un semiconductor está en contacto conun electrolito conteniendo un par redox, la trans-ferencia de cargas ocurre a través de la interfasesólido/liquido (heterogénea), como consecuenciade la diferencia de potencial entre las dos fases.Se forma un campo eléctrico en la superficie delsemiconductor y las bandas se curvan con la for-ma del campo eléctrico desde el interior delsemiconductor hasta la superficie. Durante lafotoexcitación (véase la Figura 1) cuando un fo-tón de energía suficiente es absorbido, las ban-das curvadas adquieren las condiciones necesa-rias para la separación de cargas (par e-/h+).6

Fe3+ + H2O + hv→ Fe2+ + OHº + H+ Reacción 16

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Figura 1. Representación esquemática de una partícula de semiconductor excitada conradiación ultravioleta. 14

Como se ha mencionado anteriormente, cuandose han tratado los procesos de oxidación avanza-da se cree que el radical OHº es la principal espe-cie oxidante, responsable de la fotodegradaciónde la mayoría de los compuestos orgánicos estu-diados, aunque en el caso del empleo del TiO

2 el

proceso de degradación mediante transferenciaelectromagnética ha sido de mucho interés porlos huecos (h+) producidos en la banda de valenciadel semiconductor. Para el caso del TiO

2, en for-

ma de anatasa, se somete a radiación con unalongitud de onda inferior de 400 nm, se generaun exceso de electrones en la banda de con-ducción y huecos positivos h+ en la banda devalencia (reacción 17). 3, 8, 19, 22

En la superficie del TiO2, los huecos reaccionan

tanto con H2O absorbida (reacción 18) como con

grupos OH- (reacción 19) para formar radicaleshidroxilo (OHº).

Por su parte, los electrones en exceso de la ban-da de conducción reaccionan con el oxígenomolecular para formar radicales superóxido(reacción 20) y peróxido de hidrógeno (reacción 21).

Tanto el radical superóxido como el peróxido dehidrógeno generan más radicales hidroxilos me-diante las siguientes reacciones:

El último término, el radical hidroxilo HOº genera-do, provoca la completa mineralización de mu-chas sustancias orgánicas. Dependiendo del equi-librio de adsorción/deserción para un contaminan-te dado, la oxidación fotocatalítica de un sustratoorgánico adsorbido podría incidir en la eficienciade su degradación oxidativa (reacción 25).

Parámetros que influyen en el proceso deFotocatálisis con TiO

2

Existen varios parámetros que influyen cualitativay cuantitativamente en el proceso de óxido-re-ducción fotocatalítico. A continuación se presen-tan los más importantes:

• Longitud de onda e intensidad de la luz: Eldióxido de titanio absorbe longitudes de ondainferiores a 400 nm, que corresponden al es-pectro ultravioleta. Cualquier radiación de es-tas características tendrá la capacidad de ge-nerar en el semiconductor pares electrón-hue-

e- + H2

→ O2º Reacción 20

O2 + 2H+ + 2e → H

2O

2Reacción 21

O2º + 2H

2O → 2HOº + 2OH- + O

2Reacción 22

H2O

2 + O

2-º → OH- + HOº Reacción 23

H2O

2 + e → OH- + HOº Reacción 24

h+ + H2O → HOº + H+ Reacción 18

h+ + OH → HOº Reacción 19

TiO2 + hv → TiO

2 + e- + h+ Reacción 17

TiO2(h+) + (RX) ads → TiO2 + (XR+º) ads Reacción 25

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co. La distancia de penetración de los fotonesdentro de la partícula de TiO

2 es más corta

cuanto menor es la longitud de onda ya queson absorbidos por las moléculas delsemiconductor con más fuerza. Debido a ésto,el empleo de longitudes de onda más corta (UV-C) generan los pares electrón-hueco más cer-ca de la superficie, siendo menor el tiempoempleado para la migración de estos pareselectrón-hueco hasta la superficie de la partí-cula y, por tanto, menores las posibilidades paraque ocurra la recombinación de los mismosantes de que se produzca en la superficie de lapartícula las reacciones con las especies quí-micas presentes en el agua. En conclusión, elaprovechamiento de la energía absorbida esmayor cuanto menor es la longitud de ondaempleada. 1, 3, 8, 10, 12

• El catalizador: Cuanto mayor sea la dosis delcatalizador, mayor será en principio la eficien-cia obtenida, si bien el efecto de la turbidez oca-sionada por sus partículas también aumenta,dificultando la difusión de la luz ultravioleta. En loque respecta a su disposición, el dióxido de titaniopuede estar en suspensión o inmovilizado. 3, 8

La utilización de partículas de TiO2 ocasiona la

aparición de sólidos suspendidos, parámetro li-mitado por la legislación en materia de vertidos.Por lo tanto, es necesario separar las partículasde TiO

2 de las aguas tratadas antes de su vertido

o reutilización, siendo éste uno de los principalesinconvenientes a la hora de aplicar esta tecnolo-gía debido a su reducido tamaño. Para su sepa-ración se pueden usar técnicas de filtración, queencarecerán el tratamiento. La aplicación de téc-nicas de decantación, dado el reducido peso ytamaño de las partículas a separar, obliga a tiem-pos de residencia excesivos para que el procesoresulte económico. Para solucionar este proble-ma existen dos alternativas: aumentar el tamañode las partículas o adherirlas a soportes (vidrio,policarbonato, estireno, etc.) de mayor tamañopara mejorar la decantación y evitar utilizar el ca-talizador en suspensión, depositándolo sobre lasparedes iluminadas del fotorreactor o sobre ma-teriales transparentes a la radiación.3, 8

• Efecto del oxígeno: Los huecos generados enla fotocatálisis producen radicales hidroxilo enla interfase del semiconductor con el agua. Porotro lado, los electrones generados requierenuna especie aceptadora de electrones, evitan-

do de esta forma la recombinación de éstos conlos huecos. Así, el oxígeno molecular actúacomo aceptor de electrones generándose el ra-dical superóxido, promotor de más radicaleshidroxilos. La presencia de oxígeno es por tan-to esencial para que se produzca una oxida-ción efectiva. Por otro lado, una aireación con-trolada permite la continua suspensión del ca-talizador en la disolución, favoreciendo una de-gradación más homogénea.3, 8

El oxígeno es el oxidante más empleado ya quees el más barato y no compite con el sustrato enel proceso de adsorción. Se ha comprobado quecuando desaparece el oxígeno disuelto en el aguay no existe ninguna otra especie oxidante el pro-ceso fotocatalítico, se detiene totalmente.6, 8

• Temperatura y pH: La variación de la tempe-ratura no afecta significativamente la veloci-dad de las reacciones fotocatalíticas. Aparen-temente el pH no afecta notablemente este tra-tamiento ya que se han obtenido buenos re-sultados empleando TiO

2 a diferentes rangos

de pH, pero también se ha comprobado queéste afecta el tamaño de las partículas, la car-ga superficial y las posiciones de los máximosy mínimos de las bandas del TiO

2 debido a su

carácter anfotérico. Debe trabajarse a un pHdiferente al punto isoeléctrico para el TiO2 (pH7), donde la superficie del óxido no está car-gada.3, 5, 8, 12

• Concentración inicial del contaminante: Lascinéticas de degradación fotocatalítica siguengeneralmente el mecanismo de Langmuir-Hinshenlwod donde la velocidad de reacciónvaría proporcionalmente a la fracción de super-ficie cubierta por el sustrato (véase ecuación 1).

Donde k es la constante de velocidad de reaccióny K es la constante de adsorción del compuesto.Los valores de las constantes son influenciadaspor el pH, la temperatura, el catalizador y la inten-sidad de la radiación además de las propiedadesde los compuestos involucrados. 5, 12

• Calidad del agua a tratar: La presencia de tur-bidez, sólidos en suspensión y materia orgáni-

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KC

KCkr

dt

dC

inicial1

Ecuación 1

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ca e inorgánica en el agua a tratar pueden res-tar eficiencia a la oxidación fotocatalítica conTiO

2. La turbidez interfiere en la interacción de

la luz ultravioleta y el catalizador, reduciendo laeficacia de la reacción de destoxificación.3, 8

En lo que respecta al uso de diferentes fuentesde radiación, las investigaciones iniciales de losfundamentos de la fotocatálisis heterogénea, sehicieron con reactores de lámparas UV debido aque de esta manera se podrían controlar las con-diciones experimentales, además de que repre-sentaban radiaciones continuas en longitudes deonda deseadas. El hecho de que las fuentes ar-tificiales de luz proporcionen radiación continua-mente en las longitudes de onda deseadas, hizoque en muchas ocasiones se prefiriera esta fuen-te de luz a la solar, pero la idea de que se pudieradisponer de radiación UV sin costo ha propiciadolas investigaciones con luz solar; sin embargo, eluso comercial actual de reactores con fuentes ar-tificiales de luz UV se restringe a sistemas homo-géneos.4, 8

En conclusión, la fotocatálisis puede ser definidacomo la “aceleración de una fotorreacción median-te la presencia de un catalizador”. El catalizadoractivado por la absorción de la luz acelera el proce-so interaccionando con el reactivo a través de unestado excitado o bien mediante la aparición de pa-res electrón-hueco si el catalizador es un semicon-ductor (e- y h+). En este último caso los electronesexcitados son transferidos hacia la especie reduci-ble, a la vez que el catalizador acepta electrones dela especie oxidable que ocupará los huecos; de estaforma el flujo neto de electrones será nulo y el cata-lizador permanecerá inalterado. Una partícula se-miconductora será el catalizador ideal para una re-acción determinada si: los productos se forman conuna elevada especificidad, si permanece inalteradadurante el proceso, si se requiere la formación depares electrón-hueco y si no se almacena energíafotónica en los productos finales, siendo una reac-ción exotérmica y en principio sólo cinéticamenteretardada. Parece ser que estas cuatro caracterís-ticas son generalmente aceptadas como válidas yquedan esquematizadas en la Figura 2.8, 10, 20

Figura 2. Mecanismo de formación del par electrón-hueco en la superficie del TiO2.3,8

Ventajas de la Fotocatálisis con TiO2 como cata-

lizador.

A la hora de aplicar este método de oxidaciónavanzada, se cuenta con una serie de ventajasque lo hacen significativamente singular.8

• Es el único método que realmente destruye sus-tancias tóxicas hasta compuestos totalmente

inocuos. En el caso de sustancias orgánicas,los subproductos que se obtienen son agua,CO

2 y simples ácidos inorgánicos.

• El proceso es capaz de destruir prácticamentecualquier tipo de sustancia orgánica, incluidasmezclas complejas. En este sentido, es capazde descomponer incluso sustancias difícil o peli-grosamente tratables por otros métodos, como

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es el caso de dioxinas, bifenilos policlorados(PCBs), disolventes, pesticidas, colorantes, en-tre otras.

• Las sustancias contaminantes son eliminadasen un único proceso, sin necesidad de ser ex-traídas previamente del medio en que se en-cuentran disueltas.

• El aporte de energía necesario es muy peque-ño, pues el proceso tiene lugar a temperaturasque oscilan entre 30 y 80º C, sin que su varia-ción apenas si le afecte. Esta energía procede,además, de una fuente limpia y abundante comoel sol.

Colector o reactor solar

Tradicionalmente se han clasificado los diferen-tes sistemas de aprovechamiento de la radiaciónsolar o colectores solares, dependiendo del gra-do de concentración alcanzados con ellos. Larelación de concentración (RC) puede ser defini-da como la relación entre la abertura o área desuperficie de captación y el área del reactor. EstaRC influye directamente en la temperatura del sis-tema y, de acuerdo con este criterio, los colecto-res se clasifican en tres tipos: sin concentración obaja temperatura, concentración media o bajatemperatura y alta concentración o temperaturaelevada. Esta tradicional clasificación consideraúnicamente el rendimiento térmico de los colec-tores solares. Sin embargo, en aplicacionesfotocatalíticas este factor es irrelevante ya que laadsorción de los reactivos en el catalizador se ve

favorecida con la temperatura, ya que es un pro-ceso exotérmico espontáneo y lo realmente im-portante es la cantidad de radiación de longitudde onda que se recoge.6

Hasta ahora los colectores solares utilizados paratratamiento de aguas mediante fotocatálisis co-rresponden a las dos primeras categorías. Talcomo se mencionó anteriormente, el diseño deestos reactores ha estado enfocado básicamentea la fotocatálisis heterogénea. Una de las cuestio-nes más importantes en el diseño de reactoreses la decisión entre sistemas de colectores de con-centración o sin concentración. Los primeros tie-nen la ventaja de tener un área reactor-tubos me-nor, lo que puede significar un circuito menor ycon mayor posibilidad de manejar y manipular elagua a tratar, y los segundos tienen la ventaja deaprovechar las dos componentes de la radiaciónUV (directa y difusa) y por consiguiente su efi-ciencia puede llegar a ser muy alta, su elabora-ción puede ser mucho más económica que los co-lectores de concentración. Su única desventaja essu flujo laminar o de transferencia de materia.4, 6

Unos de los colectores sin concentración másutilizados y atractivos para el desarrollo de inves-tigaciones lo constituyen los colectores cilindro-parabólicos (CPCs), debido a que por la curvatu-ra especial de su superficie reflectante (aluminio)pueden aprovechar al máximo la radiación UV.Un sistema típico de lo que sería un reactor parala destoxificación solar es el que se muestra en laFigura 3, donde la diferencia fundamental entreuna instalación y otra se produce en el tipo decolector empleado.4, 6, 8, 10, 17

Figura 3. Reactor o colector solar

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El funcionamiento de estos colectores consiste bá-sicamente en transformar la radiación solar en ener-gía térmica. Dicha radiación es concentrada me-diante espejos parabólicos o superficies reflectantes,reflejándolas hacia el foco de dicha parábola a lolargo de la cual se encuentra el tubo absorbedor.Por dicho tubo circula el agua con los compuestos

a degradar, el factor absorbedor es de 10.5 soles,mientras que la eficiencia energética de la franjaultravioleta del espectro solar obtenida es del 65%,lo cual representa la relación entre la energía exis-tente sobre el plano de apertura del colector y ladisponible en el interior del tubo absorbedor. Dichofuncionamiento se muestra en la Figura 4. 4, 6, 8, 10

Figura 4. Diagrama esquemático del funcionamiento de un colector solar paradestoxificación. 4

Conclusión

Los procesos de oxidación permiten destruir unagran variedad de compuestos tóxicos que son per-sistentes a la degradación natural. Estos proce-sos se han venido desarrollando desde la décadade los ochenta y han probado ser efectivos en ladestrucción de muchos contaminantes orgánicos.De los procesos avanzados de oxidación, dos tec-nologías fotooxidativas son prometedoras en eltratamiento de aguas residuales: la fotocatálisisheterogénea mediada por semiconductores y lafotosensibilización con ión férrico.

Existe una aplicación de la energía solar que hadespertado el interés de investigadores sobre todoa partir de los años ochenta. Se trata del empleode la energía solar para la eliminación de contami-nantes en aguas residuales mediante el uso deun fotocatalizador adecuado. Este sistema per-mite aprovechar directamente la energía solar quellega a la superficie de la tierra para provocar unaserie de reacciones químicas (redox) que dan lu-gar a la eliminación de compuestos orgánicos enlas aguas de vertidos urbanos, industriales y agrí-

colas y cambiar el estado de oxidación de losmetales pesados de tal forma que pasan de estardisueltos a una forma insoluble.

Referencias

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