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1. Introducción

LLa cavitación aparece cuandose introducen oscilacionesde presión en el seno de un

líquido. Si la presión mínima alcan-za la presión de vapor del líquido seproduce el crecimiento de las bur-bujas, que colapsan cuando la pre-sión vuelve a crecer. En determina-das condiciones el colapso de lasburbujas resulta implosivo y losefectos de compresión sobre los ga-ses internos de las burbujas puedenprovocar picos de temperaturas ypresiones internas del orden de 104

K y 103 atm respectivamente. En estas condiciones se generan

radicales hidroxilo (muy oxidantes)y consecuentemente reacciones encadena que provocan la destrucciónquímica de las sustancias presentesen las burbujas (por ejemplo conta-minantes volátiles). Las burbujasformadas en el seno del líquidoequivalen por tanto a micro reacto-res donde tiene lugar el tratamientode las aguas contaminadas.

Los procesos que generan radi-cales hidroxilo suelen ser conoci-

dos como procesos de oxidaciónavanzada (POA), incluyen desdeirradiación UV hasta el reactivoFenton, suelen ser procesos con al-tos costes de operación (debido aluso de reactivos o UV) pero alta-mente eficaces en la degradaciónde sustancias refractarias. La cavi-tación, no requiere reactivo algu-no, ya que es el propio vapor deagua el que genera los radicales.Además, los equipos requeridospara producir este fenómeno sonsencillos y poco costosos, por loque la tecnología resulta baratatanto en operación como en inver-sión inicial.

Sin embargo la aplicabilidad deesta tecnología a escala industrialse encuentra todavía en fase de de-sarrollo, por lo que CIEMAT ha di-señado y construido una planta pi-loto donde se están llevando a caboestudios sistemáticos y muy com-pletos donde la técnica de cavita-ción se aplica al tratamiento deaguas que presentan una gran va-riedad de contaminantes orgáni-cos.

Tratamiento de efluentesindustriales mediante cavitaciónhidrodinámica*

Por: Yolanda Benito; Sergio Arrojo

Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas(CIEMAT)Departamento de Medio AmbienteTratamiento de Efluentes Avda. Complutense, 22, Ed. 2028040 MadridTel.: 913 460 812Fax: 913 466 269E-mail: yolanda.benito@ciemat.es

* Comunicación presentada en el X Congreso de Ingeniería Ambiental en el marco de Proma 2006.

El aprovechamiento como tecnologíaambiental del fenómeno de cavitaciónha abierto en los últimos años nuevos al-ternativas para el tratamiento de efluen-tes, especialmente los de tipo industrial.El Centro de Investigaciones Energéti-cas, Medioambientales y Tecnológicas(CIEMAT) ha diseñado y construidouna planta de cavitación hidrodinámicapara llevar a cabo experimentos, quenos permita mostrar las posibilidades deesta técnica como proceso de oxidaciónavanzada de bajo coste. Hasta el mo-mento se ha experimentado con aguacontaminada por sustancias como to-lueno y algunos derivados, compuestosorganoclorados, xilenos, amoníaco,aguas de vertido del sector de acabadosde piel, lográndose importantes reduc-ciones de la DQO (del orden del 60%)en tiempos cortos. En este trabajo semuestran los resultados obtenidos en laexperimentación de aguas contamina-das con tolueno y p-nitrofenol.

Palabras clave: Tratamiento de aguas residuales, pro-ceso de oxidación avanzada, cavitaciónhidrodinámica, aguas contaminadas.

Resumen

Hydrodynamic cavitation applied toindustrial wastewaterThe use in environmental technologyof the phenomenon known as cavita-ción has opened in the last new years al-ternatives for the treatment especiallyfor industrial effluents. CIEMAT hasdesigned and constructed a plant of ca-vitación hydrodynamics to take to endexperiments that it allows us to showthe possibilities of this technology asprocess of advanced oxidation of lowcost. The experimentation has been ma-de with water contaminated by substan-ces like toluene and some derivatives,chloride organic compounds, xylenes,ammonia, wastewater from the endedof leather sector, there being achievedimportant reductions of the DQO (ofthe order of 60%) in short times. Thiswork shows the results obtained in theexperimentation of waters contamina-ted with toluene and p-nitrophenol.

Keywords:Wastewater treatment, advanced oxi-dation process, hydrodynamic cavita-tion, waters contaminated.

Abstract

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2. Planta piloto decavitación hidrodinámica

CIEMAT ha diseñado y construi-do una planta de cavitación hidrodi-námica (Figura 1) para llevar a ca-bo experimentos que nos permitamostrar las posibilidades de estatécnica como proceso de oxidaciónavanzada de bajo coste. Su diseñoestá basado en los resultados obte-nidos previamente con la ayuda deherramientas computacionales desimulación del proceso.

El bucle de cavitación consisteen un tramo de tuberías alrededor deun depósito. Una bomba impulsa el

flujo a alta velocidad a través de lastuberías hasta una sección denomi-nada cámara de cavitación, dondesuceden los procesos de oxidación,después de la cual el efluente retor-na al depósito. El depósito cuentacon borboteadores de aire (o del gasque se desee) y de un serpentín derefrigeración para mantener la tem-peratura de trabajo constante.

La cámara de cavitación es untramo de tubería de sección variable(Figura 2) que produce cambios develocidad en el fluido, y por tantooscilaciones en la presión. En unprimer tramo el líquido se acelera

mediante una contracción o conver-gencia de la sección de paso, el au-mento de velocidad de las partículasfluidas produce una disminución depresión. El líquido alcanza una gar-ganta, un máximo de velocidad y,por lo tanto un mínimo de presión,tras lo cual entra en un tramo diver-gente donde se decelera, lo que dalugar a un aumento de presión.

En conjunto, el paso por esta cá-mara supone la exposición de laspartículas fluidas a un ciclo de osci-lación de presión. Las burbujas seforman en los puntos donde la pre-sión cae por debajo de la presión devapor del líquido, es decir, en lascercanías de la garganta, alcanzanun tamaño máximo en los puntos demínima presión (salida de la gar-ganta) sobreviniendo una implosiónabrupta con la recuperación de pre-sión en el tramo divergente.

La cámara de cavitación se haconstruido en metacrilato para po-der visualizar el fenómeno (Figura3), lo que permite no sólo observarel proceso sino poder fotografiarlo yrealizar medidas de la nube de bur-bujas generada. La configuración dela cámara de cavitación es flexible yfácil de cambiar pudiendo elegirdistintos tipos de tubos Venturi, pla-cas de orificio o de impacto.

Los parámetros fisicoquímicosdel agua a tratar se miden en el tan-que (temperatura, pH, conductivi-dad y oxígeno disuelto). Además, ymediante un by-pass, se realizan

Figura 1. Planta piloto de cavitación hidrodinámica de CIEMAT.

Figura 2. Cámara de cavitación hidrodinámica. Figura 3. Nube de burbujas generada mediante cavitación hidrodinámica.

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medidas en un espectrofotómetro deUV-Visible conectado en línea. Elperfil de presiones se obtiene me-diante 8 transductores que se en-cuentran situados a largo de la cá-mara de cavitación.

Finalmente, el seguimiento delgrado de oxidación alcanzado de loscompuestos orgánicos presentes enel agua, y la identificación de losproductos obtenidos después delproceso, se realiza por cromatogra-fía de gases/masas.

3. ExperimentaciónLa configuración básica del ‘bu-

cle de cavitación’ se muestra en laFigura 4. El líquido a tratar se bom-bea desde el tanque de 60 l a la cá-mara de cavitación. Dentro de la cá-mara de cavitación el líquido prime-ramente se acelera debido al estre-chamiento en la sección de paso delmismo. Siguiendo la ecuación deBernoulli la presión disminuye conel aumento de la velocidad del líqui-do, alcanzando un mínimo en el cualla velocidad es máxima. En este pe-riodo las burbujas se generan y cre-cen.

Posteriormente, el líquido atra-viesa una sección divergente en lacual se causa una deceleración cau-sando el colapso violente de las bur-bujas, dando lugar a los fenómenosfísicos y químicos asociados con lacavitación.

El diseño flexible de la cámara decavitación hace posible el cambiarfácilmente los perfiles de conver-gencia/divergencia, mediante Ven-turis o placas de orificio con distin-tas configuraciones. Cada diseñopermite obtener distintos pulsos depresión.

En los experimentos llevados acabo se ha trabajado con tolueno(Panreac 99,5%), p-nitrofenol (Pan-reac, 99%), ácido clorhídrico (Al-drich 30%) e hidróxido sódico (Pan-reac 2N). Todos los ensayos se reali-zaron con agua destilada para evitarposibles interferencias.

La degradación del tolueno se de-terminó mediante la DQO(demandaquímica de oxígeno) empleando el

método EPA 410.4. Para identificarlos productos de reacción las mues-tras fueron analizadas en un sistemaGC/MS HP 5890/5971.

Para el seguimiento de los ensa-yos con p-nitrofenol se realizaronmedidas en un espectrofotómetro

UV/visible de Shimazdu. Las mues-tras se llevan a pH 11 mediante laadicción de NaOH y después de 15minutos se mide la absorbancia a405 nm según el método de Kontro-naru et al.

4. ResultadosLa elección de tolueno y p-nitro-

fenol se realizó considerando queeran sustancias representativas decompuestos volátiles y no volátilesrespectivamente. Además amboscompuestos son fáciles de determi-nar analíticamente y sus caracterís-ticas químicas son similares a las deotros compuestos tóxicos presentesen las aguas.

Estos compuestos se selecciona-ron teniendo en cuenta sus propie-dades físicas y químicas, por las queambas sustancias pueden oxidarsemediante la presencia de radicalesOH-, y/o ser degradados por meca-nismos de pirólisis. Debido a las di-

Figura 4. Esquema del bucle de cavitación.

Figura 5. Degradación del tolueno.

El tolueno y el p-nitrofenol tienen

característicasquímicas similares

a las de otroscompuestos tóxicospresentes en el agua

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ferentes propiedades que poseen losdos compuestos seleccionados, seencontrarán o no presentes en la fa-se gas de las burbujas, pudiendo es-tudiar el efecto que este hecho pro-duce sobre los resultados obtenidosen la cavitación.

En principio, las moléculas de to-lueno estarán presentes en la fase gasde las burbujas generadas mientrasque las de p-nitrofenol podrían estaren la fase líquida a valores altos depH, mientras que a pH bajo se con-centrarán en la interfase gas/líquido.

Los experimentos se han llevadoa cabo variando las condiciones deoperación en la planta y los perfilesempleados en la cámara de cavita-ción, con objeto de poder correla-cionarlos con los grados de destruc-ción de los compuestos orgánicosobtenidos.

La Figura 5 muestra la degrada-ción del tolueno en el bucle de cavi-tación en función de la presión. Co-mo era de esperar, la degradación detolueno aumenta con los valores al-tos de dP/dt. En estas condicionesen el colapso de las burbujas se ge-neran altas temperaturas, lo queconduce a una alta degradación deltolueno dentro de las mismas.

Así mismo, la baja solubilidad yvolatilidad del p-nitrofenol en aguahacen pensar que la concentracióndel p-nitrofenol dentro de las burbu-jas será baja, por lo que los procesos

de oxidación deberían tener lugar enlos alrededores de las burbujas y/oen la fase líquida.

Se ha estudiado el efecto del pHen la degradación del p-nitrofenol.La Figura 6 muestra que mientras elp-nitrofenol se degrada por cavita-ción hidrodinámica, la forma iónicano se ve afectada por la cavitación.

En la Figura 7 se muestra que unaumento en dP/dt también incre-menta los valores de degradacióndel p-nitrofenol. Considerando quela concentración de tolueno dentrode la burbuja es comparable con lade p-nitrofenol en la interfase, la re-acción de oxidación parece tener lu-gar tanto dentro de la burbuja comoen la interfase gas/líquido.

Estos estudios constituyen unaprimera etapa para entender y con-trolar la tecnología de cavitación hi-drodinámica, y poder aplicarla a unagran variedad de compuestos tóxi-cos presentes en las aguas capacesde degradarse mediante esta tecno-logía.

5. Bibliografía[1] Benito, Y.; Arrojo, S. (2005).

Hydrodynamic cavitation as alow-cost AOP wastewater treat-ment. WIT Transactions on Eco-logy and the Environment, vol.80, pag. 495-503. UK.

[2] Gogate, P.G. (2002). Cavita-tion an auxiliary technique inwastewater treatment schemes.Advances in EnvironmentalResearch, vol. 6, pag. 335-358.UK.

[3] Kotronarou, A.; Mills, G.(1991). Phys. Chem. Vol. 95.

[4] Eliers, R. (1994) HydrodynamicCavitation Oxidation destroysorganics, Environmental Protec-tion Agency.

[5] Hammintt, F.G. (1980). Cavita-tion and multiphase flow pheno-mena. McGraw-Hill. USA.

[6] Kalumuck, K.M . et al. (2003).Remediation and Disinfectionof water using jet generated ca-vitation. Fifth InternationalSymposium on Cavitation. Osa-ka (Japan).

Figura 6. Degradación de p-nitrofenol en función del pH. Figura 7. Degradación de p-nitrofenol.

La tecnología de cavitaciónhidrodinámica

intenta degradar los compuestos

tóxicos presentes en las aguas