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Tecnologías económicas para la descontaminación de agua

en zonas rurales

Juan Rodríguez

TECNOLOGÍAS ECONÓMICAS

PARA LA DESCONTAMINACIÓN

DE AGUA EN ZONAS RURALES

Primera edición

Enero, 2012

Lima - Perú

© Juan Rodríguez

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0495

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.

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Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.

Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• E l pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos

de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.

Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

Seminario Internacional sobre Tecnologías Económicas para la Descontaminación y Desinfección de Agua

TECNOLOGÍAS ECONOMICAS PARA LA DESCONTAMINACION DE AGUA EN ZONAS RURALES

Juan Rodrígueza,b

a Instituto Peruano de Energía Nuclear, Av. Canadá 1470, Lima, Perú b Facultad de Ciencias, Universidad Nacional de Ingeniería, P.O. Box 31-139, Av. Tupac Amaru 210, Lima, Perú

INTRODUCCIÓN

Contar con agua potable segura es un derecho de vida de las personas, sin embargo, gran parte de la población mundial no tiene acceso a esta. De los 6 billones de personas que pueblan la tierra, mas de un billón sufre de este problema. Sin embargo cerca de 2.5 billones no tienen acceso a un adecuado servicio de saneamiento. Esto se traduce en que más de 6 millones de niños por año mueren por enfermedades que tienen su origen en el agua que consumen. El agua cubre el 70 % de la superficie terrestre, pero la mayor parte es agua salada, el agua dulce sólo cubre un 3 % de la superficie de la tierra y mucha de ella esta helada en los polos. El agua dulce disponible para el consumo humano, proviene de los ríos, lagos, manantiales y del subsuelo. Hoy en día 31 países los cuales representan 2.8 billones de personas. En Sudamérica sólo el Perú afronta problemas crónicos de agua, este problema tiende a agravarse si se tiene en cuenta que cada 10 años nuestra población se eleva aproximadamente un 15%.

Figura 1. Disponibilidad de agua [1]

El problema se acentúa por la falta de técnicas bien establecidas para la potabilización. La incidencia de la diarrea infantil y de enfermedades endémicas fatales (hepatitis, fiebre tifoidea o cólera) es muy alta. Para los habitantes por debajo de la línea de pobreza, el tradicional método de hervir el agua puede no ser una solución adecuada por la posibilidad de ocurrencia de incendios y la escasez de energía. Este método tampoco elimina contaminantes como el arsénico, metales pesados o compuestos orgánicos recalcitrantes. La eliminación de contaminantes en aguas mediante metodologías tradicionales es extraordinariamente cara, por lo que se hace imprescindible el desarrollo de tecnologías simples, eficientes y de bajo costo para la eliminación in situ de estas sustancias. No se pretende con esto solucionar el problema del agua – que sería misión del gobierno – sino paliar la situación para evitar el agravamiento de la degradación de la calidad de vida. En nuestro laboratorio venimos trabajando en estos temas desde hace unos años y en este trabajo se reportan los resultados.

1. Tecnología Fotocatalítica para la

purificación del agua La Fotocatálisis [2] emplea como insumo básico el dióxido de titanio, una sustancia barata y no tóxica. Las partículas de TiO2 absorben la componente UV del sol, y generan centros oxidantes altamente reactivos que, además de destruir los contaminantes químicos, orgánicos e inorgánicos (por ejemplo, metales tóxicos), promueven también la eliminación

de agentes patógenos como bacterias y virus. Dada la necesidad de garantizar una gran área de interacción entre el fotocatalizador y la solución contaminada se ha realizado la síntesis de nanopartículas de TiO2 [3,4] y analizado su eficiencia en la degradación fotocatalítica del colorante industrial negro de hispamina [4] con resultados sorprendentes tal como se observa en la Fig. 2.


Sin embargo el utilizar polvos nanoparticulados como fotocatalizadores, implica necesariamente la incorporación de una etapa de separación y recuperación del catalizador en el proceso de descontaminación de aguas, lo cual es sumamente difícil si tomamos en cuenta el tamaño nanométrico de las partículas. Una alternativa a ello es depositarlo sobre un substrato. Sin embargo, en este caso surgen problemas adicionales que hay que afrontar, como por ejemplo la reducción del área superficial expuesta a la solución en comparación con las suspensiones, por otro lado, problemas de adherencia y de envenenamiento del fotocatalizador son también comunes. Adicionalmente, se debe realizar una adecuada selección del substrato para que su interacción con el fotocatalizador sea, sino benéfica, por lo menos inerte. Con el objetivo de obtener un material fotocatalizador soportado sobre un substrato, se han seguido dos caminos: • Fotocatalizadores dispersos en el volumen del

soporte. • Fotocatalizadores soportados como películas

delgadas sobre el soporte. Fotocatalizadores dispersos en el volumen del soporte. En este caso, se presentarán aplicaciones fotocatalíticas en la degradación de fenol obtenidas con pastillas de TiO2 - silicona y de TiO2 - carbón activado.

Pastillas de TiO2-silicona Las pastillas obtenidas al mezclar en la proporción adecuada nanopartículas de TiO2 y de silicona[5] (Fig. 5a) mostraron buenas propiedades mecánicas y una estructura cristalina obtenida mediante difracción de rayos X que es una mezcla 70/30 de la fase anatasa y rutilo de ~16 nm de tamaño de grano, tal como se muestra en la Fig. 3. Figura 3. Difractograma de una pastilla de óxido de titanio-silicona

Para las pruebas de fotocatálisis se preparó un sistema de reacción (Fig. 4) que consistía en un fotoreactor de vidrio de 200 ml, el cual contenía un agitador y un flujo de aire continuo. La irradiación se realiza con una lámpara Osram Ultra-Vitalux 300 W colocada a una distancia conveniente para obtener una radiación UV-A (310-400 nm) de 37.5 W/m2, similar a la de un día soleado en la ciudad de Lima. Se utilizó también un filtró para la radiación infrarroja.

Figura 4. Esquema del sistema de reacción para la fotodegradación del fenol

La concentración de fenol se cuantificó utilizando el método colorimétrico con 4 aminoantipirina.. La variación de la concentración relativa con el tiempo de

Figura 2 Degradación fotocatalítica de negro de hispamina con 180 mg/L de nanopartículas anatasa de TiO2, irradiadas con una lámpara de 125 W. (a) Espectro mostrando la transmitancia de la solucion para diferentes tiempos de irradiación. (b) Influencia de diferentes concentraciones de las nanoparticulas de TiO2 en la razón de degradación del colorante.

20 30 40 50 60

R (2

11)

A (1

00)

A (2

00)

R (1

11)

A (0

04)

A (1

01)

R (1

10)

A (1

03)

A (1

00)

Inte

nsid

ad (U

nida

des

arb.

)Angulo de difraccion (2Θ)

Silicona-TiO2


irradiación se muestra en la Figura 5b. La concentración de fenol no presenta una significativa disminución provocada por la adsorción en oscuridad o mediante la fotólisis. Sin embargo cuando se coloca el fotocatalizador y se irradia, se tiene una degradación de fenol del 80% en cinco horas de tratamiento.

(a) )

Figura 5. (a) Pastillas de TiO2-Silicona sobre una luna de reloj. (b)Evaluación de actividad fotocatalítica de los 5 g de pastillas de TiO2-Silicona en 200 mL de una solución de 20 ppm de fenol. La Intensidad de la lámpara fue de 37.5 W/m2.de UV-A

El envejecimiento del material fotocatalítico se realizó fotodegradando 200 mL de una solución de 20 ppm de fenol durante 5 h, utilizando repetidamente diferentes muestras de 5 g de pastillas de TiO2-silicona. La Figura 6 muestra la concentración relativa de fenol después de la irradiación para repetidas fotodegradaciones. Se observa una dispersión de resultados grande cuando las pastillas se utilizan por primera vez, sin embargo, cuando se usan mas de tres veces, se llega a un régimen de degradación constante.

Figura 6. Degradación fotocatalítica de 200 mL de una solución de 20 ppm de fenol, realizadas múltiples veces con muestras de TiO2-silicona. Cada experiencia duró 5h.

Con el objetivo de determinar si las pastillas de TiO2-silicona cambian por efectos del proceso fotocatalítico, se han observado la superficie de las pastillas por microscopía electrónica de barrido antes (Fig. 7a) y después de la irradiación ultravioleta (Fig. 7b). En este caso, se observó cierta aglomeración del fotocatalizador que sufre el material luego de pasar por el proceso fotocatalítico como se muestra en la Fig. (7b). Sin embargo sus propiedades mecánicas no cambiaron. Figura 7. Degradación fotocatalítica de 200 mL de una solución de 20 ppm de fenol, realizadas múltiples veces con muestras de TiO2-silicona el número de veces indicado.

(a)

0 50 100 150 200 250 300

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Coe

ncet

raci

on re

lativ

a de

l fen

ol (C

/Co)

Tiempo (min)

oscuridad fotolisis fotocatalisis

1 2 3 4 50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Con

cetra

cion

rela

tiva

del f

enol

Numero de degradación


Los resultados muestran que el TiO2 soportado en silicona en forma de pastillas es fotocatalíticamente activo, aun después de varios usos, para la mineralización de Fenol y podría también ser adecuado para otros contaminantes orgánicos contenidos en sistemas acuosos. Pastillas de Carbón TiO2 -activado El proceso de precipitación sol-gel del TiO2 partiendo de un precursor alcóxido en presencia de carbón activado es un método novedoso y adecuado para la preparación del TiO2 nanométrico con alto potencial para ser utilizado como un fotocatalizador. La temperatura y tiempo de calcinación óptimos empleados (325ºC durante 5 horas), dieron lugar a un material nano-cristalino sobre el carbón que permitió obtener buenos resultados de reacción fotocatalítica[6]. El material que presentó mejores resultados en la fotocatálisis fue el calcinado a 325ºC durante 5 horas. El efecto sinérgico entre el área superficial, el contenido de carbón y la superficie pueden explicar en principio este comportamiento óptimo aunque otros parámetros como la acidez de la superficie del fotocatalizador y por lo tanto la capacidad de adsorción podrían también ser tomados en cuenta. Las pastillas obtenidas mostraron ser de una estructura cristalina anatasa obtenida mediante difracción de rayos X, de ~12 nm de tamaño de grano, tal como se muestra en la Fig. 8. El pequeño pico que aparece a 26.5º se asocia a impurezas de cuarzo que contiene el carbón activado.

.

Figura 8. Seguimiento de la temperatura y tiempo óptimos para la formación de anatasa sobre el carbón activado.

La suspensión 0.1 g de TiO2-carbón activado en 40 ppm de fenol se dejo en oscuridad por 60 minutos. Inmediatamente después se enciende la lámpara ultravioleta UV-A de 37.5 W/m2 y se inicia el proceso de la reacción fotocatalítica. El muestreo se hace tomando alícuotas cada 10 minutos. La figura 9 muestra que a partir de los 60 minutos, se observa

un cambio sustancial en la reacción que recibe irradiación, mientras que para el caso de la muestra sin irradiar, a partir de ese tiempo la concentración se mantiene constante.

Figura 9. Esquema comparativo de oscuridad y fotocatálisis

Las pruebas de actividad demostraron que un incremento sobre la cantidad de catalizador produce un aumento en la velocidad de degradación. Fotocatalizadores soportados como películas delgadas sobre el soporte. TiO2 sobre vidrio: Se soportaron por sinterizado nanopartículas de oxido de titanio en la superficie de esferas milimétricas de vidrio. Las nanopartículas de óxido de titanio fueron soportadas varias veces en la superficie de las esferas milimétricas de vidrio. Las muestras obtenidas fueron colocadas en el reactor mostrado en la Fig. 10. Figura 10. Reactor Fotocatalítico anular utilizado en la degradación de Negro de hispamina disuelto en agua. Se utilizó una lámpara ultravioleta de Hg de 150 W de potencia.

20 25 30 35 40 45 50 55 60

A(2,0,0)A(0,0,4)

Inte

nsid

ad (U

nida

des

arb.

)

Angulo de difraccion (2Θ)

A(1,0,1)

Carbon activado-TiO2

BalasSuministro de potencia y controlesTermómetro Muestr

Bomba peristáltica

Reservorio

AgitadLuz UV

TiO2 sobre esferas de vidrio en suspension

0 20 40 60 80 100 120

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Oscuridad Fotocatalisis

% re

lativ

o de

con

cent

raci

ón

Tiempo (min)


Figura 11. Comparación de la degradación del colorante industrial negro de hispamina de nanopartículas de óxido de titanio soportadas sobre esferas de vidrio. Los resultados se comparan con los de una suspensión de nanopartículas de óxido de titanio [7].

En la Fig. 11, se puede observar que el número de capas de fotocatalizador que se colocan sobre el substrato de vidrio influyen positivamente en la cinética de la reacción. Así, los substratos milimétricos de vidrio en los que se realizaron tres depósitos del material fotocalítico, mostraron una cinética de degradación más cercana a la de la fotocatálisis con una suspensión de las nanopartículas de TiO2 Fotocatalizadores asistidos por potencial En este caso el fotocatalizador se deposita sobre substratos vidrio recubierto con un conductor transparente. Esto se realiza con el objeto de que la reacción fotocatalítica se lleve a cabo bajo la aplicación de un pequeño potencial, el cual no es muy grande como para generar la electrólisis del agua pero es lo suficientemente elevado como para evitar la recombinación de los portadores de carga que fueron foto-generados. En nuestro caso, se aplicó un potencial anódico de 0.7 V. Una explicación mas completa se puede encontrar en [8]. El método de fabricación utilizado fue el depósito por rociado pirolítico, en el que un nebulizador conteniendo la solución coloidal es activado por una presión de aire de ∼30 lb/pulg2. La interacción del flujo de gas con la solución dará lugar por efecto Venturi a que se forme una nube la cual asciende y al llegar al substrato, que se encuentra a una temperatura elevada, evaporará su solvente formando así la película. Con el objetivo de asegurar la homogeneidad de la película, la tobera por donde sale la nube de gas se mueve paralelamente al substrato [9].

Los materiales depositados por esta técnica son muy sensitivos a las condiciones de depósito. Así, en la Fig. 12a se presentan fotografías SEM de las muestras de ZnO depositadas a partir de soluciones de acetato de cinc a diferentes pHs, así como su comportamiento en la degradación foto-electrocatalítica del anaranjado de metilo (Fig. 12b) [9]. En la figura 13 se muestra como influye las diferentes razones de los solventes etanol/agua en la morfología de la película fabricada (Fig. 13a). Asimismo se observa que los mejores valores de degradación fotocatalítica de anaranjado de metilo se obtienen a una relación etanol/agua de 0.4:1 (Fig. 13b).

Figura 12. (a)Micrografías de dos películas de ZnO fabricada a los pHs mostrados y (b) Concentración relativa de una solución de 35x10-5 M de anaranjado de metilo obtenida durante su degradación fotocatalítica utilizando películas de oxido de cinc fabricadas a los pHs siguientes: ( ■ ) pH = 2 y (▲) pH = 5. Las muestras fueron sometidas a 0.7 V de potencial anódico y se utilizó una lámpara de Hg de 125 W.

0 20 40 60 80 100 120 1400.6

0.7

0.8

0.9

1.0

pH 2 pH 5

Rel

ativ

e co

ncen

tratio

n (C

/Co)

Time (min)

pH=5 pH=2

(a) (b)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

C

/ C

o

Tiempo (min)

0.25g/L TiO2

Soportado 1 vez Soportado 2 veces Soportado 3 veces

Co=40 mg/L negro de hispamina

(c)


Figura 13. (a) Fotografias SEM de muestras de ZnO depositadas a las razones mostradas de etanol/agua. (b) Gráfica de Concentración relativa vs. Tiempo durante de irradiación UV en la degradación fotoelectrocatalítica de anaranjado de metilo 0.35mM con las películas de óxido de cinc preparadas con soluciones de concentraciones mostradas de etanol/agua. Las muestras fueron sometidas a 0.7 V de potencial bías y se utilizó una lámpara de Hg de 125 W. Fotocatalizadores soportados como películas en el interior de tubos de vidrio Los tubos de borosilicato de 30 cm de longitud, 47 mm de diámetro interno y 5 mm de espesor, fueron

depositados por rociado pirolítico en una solución de isopropóxido de titanio: alcohol etílico en la proporción adecuada [10]. La película se obtuvo a una presión del aire para el nebulizado de la solución de 30 psi a un flujo constante de 5 l/min, y una temperatura de depósito de 200 oC. Una vez completado el deposito, los tubos fueron tratados a 450 ºC por 1 hora para ser utilizados en las medidas de actividad. El sistema de depósito se construyó para este trabajo y se muestra en la

Fig. 14 Figura 14. Sistema de depósito por rociado pirolítico utilizado para la fabricación de películas de óxido de titanio en el interior de tubos de vidrio borosilicato de 30 cm de longitud, 47 mm de diámetro interno y 5 mm de espesor. Después de un tratamiento térmico a 450 oC por una hora, las películas presentaron una estructura anatasa. Las muestras obtenidas mostraron bajo microscopía electrónica de barrido, Fig. 15, ser irregulares y estar compuestas de una película delgada de TiO2 sobre la cual se forman cúmulos del fotocatalizador. Un análisis EDX en dos regiones diferentes de las muestras fabricadas mostró que en la región I (Fig. 15) las películas están compuestas además de titanio y oxigeno, por trazas de aluminio, sodio y silicio, los cuales se asocian al vidrio del substrato. En la región II (Fig. 15) correspondiente al cúmulo en donde sólo se detecta además del titanio y oxigeno, al silicio del vidrio pero en este caso en una proporción mucho menor que en caso anterior. Con esto confirmamos que el sodio, un conocido interferente de la actividad fotocatalítica del oxido de titanio, no se difundió en el fotocatalizador.

( a ) ( b )

1:1 3:1

0 6 1

(a)

(b)

NebulizadorBomba neumática

MovimientoTubo de vidrio


Figura 15. Micrografías de las películas delgadas de oxido de titanio, depositadas en la parte interior de un tubo de vidrio. Zona I, es una superficie fina de TiO2 y Zona II corresponde a un cúmulo típico de TiO2 Las películas depositadas una, dos y tres veces se muestran en la Fig. 16, en la cual se observa, como era de esperar, que a medida que se incrementa el número de capas depositadas, estas se van haciendo menos transparentes. Medidas preliminares del espesor realizadas con microscopía electrónica de barrido en la sección transversal, indican que el espesor de capa es aproximadamente ~300 nm. Figura 16. Fotografía que muestra películas de óxido de titanio fabricadas con una relación de isopropóxido de titanio a alcohol etílico de 6:50 formadas por (a) una capa, (b) dos capas y (c) tres capas de TiO2

Los tubos de vidrio depositados en la parte interna con tres espesores diferentes de películas de TiO2 fueron irradiados con una fuente de luz ultravioleta tal como se muestra en la Fig.17. La potencia de la luz ultravioleta UV-A fue de 28 W/m2. Adicionalmente se hizo un estudio del efecto de un limitador de volumen hecho de aluminio colocado axialmente en el interior del tubo de vidrio Figura 17. Sistema de irradiación de las muestras tubulares (a) Tubo de vidrio depositado en TiO2 lleno de una solución acuosa de 20 ppm de fenol. (b) igual que en (a) pero con un limitador de volumen

Los limitadores de volumen de diferentes diámetros fueron colocados axialmente dentro de los tubos de vidrio con su superficie interior cubierta por una capa de óxido de titanio. Procediéndose a irradiar durante 4 h una solución de 20 ppm de fenol. En la tabla 1 se presentan los resultados de la degradación de Fenol luego de 4 h de irradiación. Se puede observar que a medida que el volumen de la muestra decrece por efectos del limitador de volumen, la degradación de fenol se incrementa, de una manera casi exponencial. Tabla 1. Influencia del uso de limitadores volumen, colocados axialmente en el interior de tubos de vidrio cubiertos en su parte interna con una película de TiO2, para la degradación de 20 ppm de fenol.

Diámetro del limitador de

volumen (cm)

Degradación luego de

4 h (%)

Volumen (mL)

0 1.2 3.2 3.7

10 11.4 14.9 22.4

400 300 200 100

En la Fig. 18 se presenta la remoción de fenol luego para diferentes relaciones isopropóxido de titanio a alcohol etílico de 2:50 y 6:50, además se repitieron experimentos utilizando un limitador de volumen de 3.2 cm de diámetro. Se observó que las películas fabricadas en general presentan la misma actividad fotocatalítica. Sin embargo, la inclusión de un limitador axial de volumen mejoró en todos los casos la cinética de la degradación, llegando a obtenerse, para el caso de una capa, una diferencia de casi dos veces entre las fabricadas con una relación de 6:50.

Figura 18. Remoción de fenol luego para diferentes relaciones isopropóxido de titanio a alcohol etílico (■) 2:50 y (▲) 6:50. Se muestra además los resultados obtenidos con un limitador

I II

(a) (b) (b)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0

8

16

24

32

40

Rem

ocio

n de

feno

l (%

)

Número de capas de TiO2

2:50 2:50 con limitador de volumen 6:50 6:50 con limitador de volumen

Radiación Radiación Sección Transversaldel Tubo con TiO2

Limitador de volumen

Sup. Reflectante


de volumen de 3.2 cm de diámetro para cada una de las condiciones de preparación estudiadas.

Las Películas de TiO2 presentan una buena actividad fotocatalítica. Un incremento del número de capas de TiO2 en los tubos muestra un aumento sobre la actividad fotocatalítica, mostrando un límite debido a la disminución de la actividad debido al descenso de la transmitancia por efecto del aumento del espesor de las películas. Sin embargo se observa que las muestras con una sola capa de depósito serian más útiles para aplicaciones en las que una alta transmitancia en el rango visible es necesaria, ya que son sólo un 20% menos eficientes que las mas gruesas que se ven opacas.

La inclusión del limitador de volumen colocado axialmente en el tubo de vidrio, incrementa la cinética de la reacción, esto se debe a un incremento en la relación material fotocatalítico a volumen de solución. 2. Desinfección y descontaminacion con luz solar La tecnología DSAUI (Descontaminacion Solar en Unidaes Individuales) trata la contaminación microbiológica y se basa en la exposición al sol por algunas horas de botellas de plástico con agua contaminada. Los rayos solares actúan por combinación de la radiación UV-A y la infrarroja, que eleva la temperatura del agua a unos 50-55ºC. De este modo, pueden destruirse bacterias y virus (incluyendo al Vibrio cholerae). El método cumple con excelentes criterios económicos y de factibilidad: las botellas de plástico son un residuo de consumo habitual, y se encuentran fácilmente en las regiones; pueden usarse no sólo para el tratamiento sino para el transporte y consumo final, lo cual evita el riesgo de recontaminación por transvases [11,12]. Para la realización de los ensayos, se eligieron aguas del asentamiento humano Tambo Pariachi, en Huaycán, situado en la periferia de Lima (km 15 de la carretera central). Allí, el agua para el consumo diario se extrae de pozos artesianos, tal como se ve en la Figura 19.

Figura 19. Pozo artesiano en el asentamiento humano Tambo Pariachi en Huaycán. Nótese la cercanía del río Rímac

Se tomaron las muestras en el lugar en botellas esterilizadas de vidrio y fueron llevadas inmediatamente a un ambiente esterilizado. Luego de homogeneizar la muestra, se procedió al llenado de 10 botellas de plástico de polietilentereftalato de 500 mL. En un grupo de botellas, se pintó la mitad exterior de negro mate. Las botellas se colocaron horizontalmente bajo el sol. La radiación solar se midió con un radiómetro artesanal calibrado con un radiómetro Haenni Solar 130. La temperatura se tomó cada 10 minutos con un termómetro de mercurio colocado en una de las muestras. Los experimentos se llevaron a cabo en las botellas durante cinco horas, como se muestra en detalle en las Figuras 20a y 20b.

Figura 20. (a) Detalle de la botella de plástico PET pintada de negro. (b) Detalle de las muestras durante su irradiación solar

Durante la irradiación, se recogieron dos

muestras cada hora. Se midió el número más probable (NMP) de coliformes fecales y totales antes y después del tratamiento, utilizando el procedimiento de tubos múltiples con caldo de sulfato de laurilo para la identificación y con caldo Brila para la cuantificación. La incubación se llevó a cabo a 37 ºC durante 48h. La presencia de E. coli se determinó incubando durante 48 h en caldo Ec a 44 ºC. Se midieron los parámetros fisicoquímicos como la radiación solar, temperatura, turbidez y pH, durante el tratamiento.


Figura 21. (a) Irradiación solar y (b) Concentración de coliformes normalizada para un experimento típico de desinfección

En la Figura 21 se observa la irradiación

solar global (a) y la concentración de coliformes normalizada (b) con respecto a la concentración inicial, C0, durante un experimento típico de descontaminación de agua con radiación solar. Se puede observar que en ~2 h de irradiación se ha destruido cerca del 90 % del total de coliformes, llegándose a la desinfección total del agua en unas cinco horas de irradiación.

En la Tabla 2, se muestran las medidas de pH y turbidez del agua del experimento de desinfección reportado en la Figura 19. Al inicio del experimento, las aguas eran neutras, pero el pH se incrementó durante la irradiación solar, debido posiblemente a la destrucción de ácidos nucleicos y proteínas, que basifican ligeramente la solución. El ligero decrecimiento en la turbidez a medida que el tiempo de irradiación aumenta, se debe a la decantación.

Tabla 2. Medidas de pH y turbidez del agua durante la aplicación del método de desinfección. Tiempo de irradiación 0 60 120 300 pH 7.47 7.50 7.70 7.78 Turbidez 13.7 13.15 13.5 13.15

Durante los experimentos realizados, se

observó en el agua estudiada una variación en la concentración de coliformes de 2400 a 220 NMP/(100 mL). Esta fluctuación es asociada a variaciones estacionales en el grado de contaminación del río Rímac, que está cercano a los pozos artesianos estudiados. Esta concentración de

contaminantes es alta, por lo que el agua no es apta para el consumo humano. Con el objetivo de analizar la influencia de la temperatura en el proceso, se procedió a calentar una muestra a las temperaturas alcanzadas durante el experimento; en este caso, se obtuvo un decrecimiento de los coliformes de aproximadamente 30 %. Considerando este hecho, se pintó externamente la mitad inferior de las botellas con pintura negro mate, y se realizó el experimento como en el caso anterior, con las botellas colocadas horizontalmente sobre el sistema reflectante. Los resultados se observan en la Figura 22. Figura 22. (a) Variación en irradiación solar, (b) variación en temperatura medida en botellas transparentes (▲) y en botellas pintadas externamente en su mitad inferior de negro (▼), (c) concentración de E. coli normalizada, C/Co, en botellas transparentes (■) y botellas pintadas de negro en la mitad inferior (●) durante un

0 6 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0

0 .0

0 .2

0 .4

0 .6

0 .8

1 .0 (b )

C o = 2 2 0 N M P /m l

C/C

o

T ie m p o d e irra d ia c ió n (m in )

200

400

600

800

100012 13 14 15 16 17

(a)

Hora de irradiación (pm )

Irradiación solar

Irrad

iaci

ón so

lar (

W/m

2 )

Co = 220 NMP/100ml

0 60 120 180 2400.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 (b)

Co=1800 NMP/ml de E-coli

PET PET+IR

C/C

o

Tiempo en irradiación (min)

20

25

30

35

40

45

(a)

Botellas pintadas la mitad con negro de humo botellas de plastico transparente

Tem

pera

tura

(o C)

100

200

300

400

500

60012 13 14 15 16

(a)

Hora de irradiación (pm)

Irradiación solar

Irrad

iaci

ón so

lar (

W/m

2 )

1800 NMP/100 ml


experimento típico de descontaminación de agua. C0 es la concentración inicial de E. coli.

En la Figura 22a se presenta la variación de la irradiación solar global durante el tratamiento, y en la Figura 22b se puede ver la influencia positiva del pintado externo de la mitad inferior de la botella con pintura negra, que provoca un aumento de la temperatura de ∼5 oC respecto de la temperatura de la botella sin pintar. Por otro lado, en la Figura 22c se observa un aumento en la eficiencia de la destrucción de E. coli del orden de 20 % en las botellas pintadas respecto de las botellas sin pintar. El método empleado es sencillo y económico para la remoción de bacterias, y podría ser empleado de manera masiva por la población rural, como alternativa para obtener agua potable.

Tratamiento con luz solar de aguas contaminadas con Arsénico

Como es bien conocido, el arsénico es altamente tóxico y responsable del hidroarsenicismo crónico regional endémico (HACRE), que culmina en lesiones de la piel y cáncer. El arsénico puede abatirse con el método RAOS (Remoción de arsénico por oxidación solar), que agrega citrato (como jugo de limón) al agua de las botellas plásticas (que generalmente contienen sales de hierro), y la exposición al sol conduce a la formación de un precipitado de hidróxido de hierro que flocula y puede filtrarse fácilmente [13,14,15]. También puede utilizarse para el tratamiento del arsénico la fotocatálisis con TiO2

En la Figura 23 se presenta el presenta el modo de colocación de las botellas llenas con agua arseniosa y la manera como quedan finalmente bajo el sol.

(b) Figura 23 (a) Modo de colocación de las botellas llenas con agua arseniosa, (b) posición final de la botellas bajo el sol para su irradiación.

Un punto a considerar en la remoción de arsénico es el efecto del contenido de Fe y citrato. Para ello se realizaron variaciones sobre la relación molar Fe2+/citrato de 2, 4, 6, 8 y 10 en una muestra de agua con una concentración inicial de 200 ppb As (III), y que fue puesta al sol durante 3 horas. Los resultados (Fig. 24) muestran que un incremento en la relación Fe2+/citrato produce una remoción a menos de 30 ppb. Asimismo se puede observar que la relación Fe2+/citrato pasa por un máximo en la remoción de As (Fe2+/citrato igual a 6) donde podemos encontrar valores de hasta 10 ppb As. Hay que recordar que un incremento en la concentración de Fe produce un aumento también sobre la concentración del Fe residual en el agua tratada, lo cual es también perjudicial, ya que en elevadas dosis puede causar efectos tóxicos para la salud. Por lo tanto, se decidió emplear una relación molar del Fe2+/citrato de 1.8. Figura 24. Gráfico de la relación molar del Fe2+/citrato y la concentración de As en un experimento típico de descontaminación con irradiación solar.

0 2 4 6 8 100

5

10

15

20

25

30

35

Con

cent

raci

ón d

e A

s (p

pb)

Relación molar: Fe2+/Citrato

concentración inicial de As 200 ppb

(a)


También se hicieron medidas comparativas utilizando agua de caño que fue contaminada con 100 ppb de arsénico y 200 ppb. De acuerdo a los resultados obtenidos (Tabla 3), se puede observar que la presencia del limón bajo irradiación solar favorece la degradación del arsénico.

Tabla 3. Comparación entre la degradación de 100 y

200 ppb de arsénico

100 ppb 200 ppb As

remanente %

Remoción As

remanente%

RemociónCon limón irradiado

5 ppb 95 % 23 ppb 88.5 %

Sin limón irradiado 12 ppb 88 % 64 ppb 68 % Con limón sin irradiar

40 ppb 60 % 132 ppb 34 %

Sin limón sin irradiar

16 ppb 84 % 60 ppb 70 %

a) Irradiación con lámpara ultravioleta En este experimento, la muestra se irradió con luz ultravioleta UV-A. Se utilizó una lámpara OSRAM Ultravitalux de 300 W. En la Figura 24(a) se muestra la potencia por unidad de área de la radiación ultravioleta UV-A. Se puede observar que la intensidad de la radiación es aproximadamente 28 W/m2. La remoción de arsénico lograda al irradiar con la lámpara UV-A muestras de agua con 200 y 500 ppb de As se muestran en las Fig. 25(b) y 25(c), respectivamente.

Al irradiar la muestra con la lámpara UV-A de ~28 W/m2. El arsénico es removido casi en su totalidad en 4 horas de tratamiento (Fig 25). Para una muestra de menor concentración de As (200 ppb) la concentración de arsénico de 200 ppb se reduce a <10ppb y de 500 ppb a 30 ppb en 4 horas de tratamiento, ajustándose a la Normativa Peruana. Para la muestra con una concentración inicial de arsénico de 200 ppb cumple lo establecido por la OMS en cuanto al nivel arsénico en el agua.

b) Irradiación con luz solar En las figuras 26(a) y 27(a) se presenta la radiación solar global en W/m2, mientras que en las Figuras26(b) y 27(b) se presenta la componente ultravioleta UV-A medida durante el tratamiento.

Las figuras 26(c) y 27(c) muestran la remoción de As obtenida irradiando la muestra durante 3 horas. Las medidas fueron realizadas en intervalos de 1 hora y las concentraciones iniciales de As en el agua fueron de 200 (Fig. 26) y 500 ppb (Fig. 27).

La remoción de As después de 3 horas de irradiación solar son de 95% y 90 % a partir de 500 y 200 ppb de As, respectivamente. Para tiempos mayores se puede lograr una remoción total. Las tablas 4(a) y 4(b) muestran la variación de la concentración de arsénico, partiendo de una concentración inicial de 200 y 500 ppb, respectivamente. Los resultados obtenidos muestran que en 3 horas de tratamiento, la concentración final de arsénico decrece a 40 y 60 ppb partiendo de una concentración inicial de 200 y 500 ppb, respectivamente. Para el caso en que se utilizó una concentración inicial de 200 ppb, en 4 h de irradiación solar se llegó a una concentración menor a 10 ppb.

0 30 60 90 120 150 180 210 240

5

10

15

20

25

30

35

40(a)

Irrad

iaci

ón U

V-A

(W/m

2

)

0 30 60 90 120 150 180 210 2400

20

40

60

80

100(b)

Concentración inicial de As: 200 ppb

Rem

oció

n de

As

(%)

0 30 60 90 120 150 180 210 2400

20

40

60

80

100(c)

Concentración inicial de As: 500 ppb

Rem

oció

n de

As

(%)

Tiempo (min)

Figura 25. (a) Irradiación de una lámpara UV-A durante un experimento típico de descontaminación de As y su eficiencia de remoción de arsénico con lámpara de luz UV con concentraciones iniciales de (b) 200 ppb y de (c)500 ppb.


0 30 60 90 120 150 180 210 240

100

200

300

400

500

600

700

800

900

(a)

Irrad

iaci

ón s

olar

glo

bal (

W/m

2 )

0 30 60 90 120 150 180 210 2400

5

10

15

20

25

30

35

40(b)

Irrad

iaci

ón U

V-A

(W/m

2 )

0 30 60 90 120 150 180 210 2400

20

40

60

80

100

concentración inicial de As: 200 ppb

(c)

Rem

oció

n de

As

(%)

Tiempo (min) 0 30 60 90 120 150 1800

20

40

60

80

100

concentración inicial de As:500 ppb

(c)

Rem

oció

n de

As

(%)

Tiempo (min)

0 30 60 90 120 150 180450

500

550

600

650

700

750

800

850

900(a)

Irrad

iaci

ón s

olar

(W/m

2 )

0 30 60 90 120 150 1800

5

10

15

20

25

30

35

40(b)

Irrad

iaci

ón U

V-A

(W/m

2 )

Figura 26 (a) Irradiación solar durante un experimento típico de descontaminación de As. (b) Componente UV-A de un experimento típico de descontaminación de As. (c) Eficiencia de remoción de arsénico con luz solar para una concentración inicial de As de 200 ppb

Figura 27. (a) Irradiación solar durante un experimento típico de descontaminación de As. (b) Componente UV-A para un experimento típico de descontaminación de As. (c) Eficiencia de remoción de arsénico con luz solar para una concentración inicial de As de 500 ppb


Tabla 4. Variación de la concentración de arsénico durante las 3 a 4 horas de tratamiento con irradiación solar. Las concertaciones iniciales de arsénico fueron: (a) 200 ppb y (b) 500 ppb. (a) (b)

Tiempo (min.)

Conc. de As(mg/l) Tiempo

(min.) Conc. de As(mg/l)

0 60 120 180 240

0.200 0.063 0.049 0.039

< 0.010

0 60

120 180

0.500 0.210 0.070 0.060

Los resultados muestran que irradiando con

28 W/m2 de luz UV-A, durante al menos 4 h, a muestras de 200 y 500 ppb de arsénico en agua y con una relación molar Fe2+/citrato de 1.8, se logró una remoción de arsénico que cumple con la norma técnica peruana. La rapidez de descontaminación del arsénico depende de la relación molar Fe2+/citrato y es proporcional a la intensidad de la luz UV.

Conclusiones De lo expuesto se concluye que las tecnologías de descontaminación propuestas se pueden aplicar a nivel domiciliario en zonas rurales del país donde hay fuerte contaminación orgánica e incidencia por la industria minera, haciendo esta agua apta para el consumo humano.

Así, con la tecnología DSAUI (Descontaminacion de Agua en Unidades Individuales) se trata eficientemente contaminación microbiológica con los rayos solares que actúan por combinación de la radiación UV-A y la infrarroja. El método cumple con excelentes criterios económicos y de factibilidad: las botellas de plástico son un residuo de consumo habitual, y se encuentran fácilmente en las regiones; pueden usarse no sólo para el tratamiento sino para el transporte y consumo final, lo cual evita el riesgo de recontaminación por transvases.

El arsénico puede abatirse con el método RAOS (Remoción de Arsénico por Oxidación Solar), que agrega citrato (como jugo de limón) al agua de las botellas plásticas (que generalmente contienen sales de hierro), y la exposición al sol conduce a la formación de un precipitado de hidróxido de hierro que flocula y puede filtrarse fácilmente.

La Fotocatálisis Heterogénea emplea como insumo básico el dióxido de titanio, una sustancia barata y no tóxica. Las partículas de TiO2 absorben la componente UV del sol, y generan centros oxidantes altamente reactivos que, destruyendo de esta manera no solamente los contaminates. La inmovilización del fotocatalizador sobre esferitas de vidrio o con Silicona y carbón activado, permiten su separación

luego del tratamiento, pero sobre todo mantiene sus propiedades fotocatalíticas, y permitiría mejorar los métodos DSAUI y RAOS al trabajar en combinación las tres tecnológicas. El mismo método, empleando un fotorreactor, podría tratar también volúmenes mayores de aguas domésticas y efluentes de procesos industriales.

Las tecnologías propuestas solas o en combinación, no requieren equipamiento o desarrollos tecnológicos sofisticados o caros, ni altos costos de energía. Sólo necesitan la acción permanente del sol. Reconocimiento: Este trabajo ha sido posible realizar gracias a los proyecto OEA AE / 141 2001 y el proyecto UE SOLWATER contrato ICA4-CT-2002-10001. Bibliografía. [1] Safe drinking water: the need , the problem

and an action plan, Report of the third world academy of Sciences, 2002.

[2] Materiales para Fotocatálisis y Electrofotocatálisis, R. Candal, J. Rodríguez, G. Colón, S. Gelover, E. Vigil Santos, A. Jimenez, in Eliminación de Contaminantes por Fotocatálisis Heterogénea, Cyted, Edited by M. A. Blesa, Mar del Plata, Argentina, 2001 http://www.cnea.gov.ar/cyted/default.htm

[3] Influencia del catalizador en la obtención de fases cristalinas del óxido de titanio mediante el Método de Sol-Gel, M. Quintana, Tesis de Maestría, UNI, en proceso de sustentación.

[4] Síntesis Sol-Gel de Nanopartículas de Dióxido de Titanio: Caracterización y Aplicaciones, Aida Torres, Tesis de Licenciatura, UNI, 2001.

[5] P. Zúñiga, J. Rodríguez, S. Ponce, J. Solís y W. Estrada, Degradación fotocatalítica de fenol con nanopartículas de óxido de titanio soportadas en una matriz de polidetil-siloxano, Memorias del X Simposio Peruano de Energía Solar, 17-22 Nov. 2003.

[6] Edward Carpio, Silvia Ponce, Juan Rodríguez y Walter Estrada, Degradación fotocatalítica del fenol usando nanopartículas de TiO2 soportadas sobre carbón activado, a publicarse en las Memorias del X Simposio Peruano de Energía Solar, 17-22 Nov. 2003.

[7] Fotodecoloración de un azocolorante utilizando UV/TiO2/ H2O2: en suspensión y soportado, R. López y J. Rodríguez, Libro de Resúmenes de la Escuela de Fotocatálisis Heterogénea , Sevilla España, 4 -7 Junio del 2002, p. 17.

[8] Fotocatálisis Asistida por Potencial, S: A. Bilmes, R. J. Candal, A. Arancibia, B. Loeb y J. Rodríguez, en Eliminación de Contaminantes por Fotocatálisis


Heterogénea, Cyted, Ed. M. A. Blesa, Mar del Plata, Argentina, 2001, http://www.cnea.gov.ar/cyted/default.htm

[9] M. Quintana, E. Ricra, J. Rodríguez and W. Estrada, Spray Pyrolysis deposited zinc oxide film for Photo-electrocatalytic degradation of Methyl Orange: Influence of the pH, Catalysis Today 76 (2002) 141-148.

[10]J. Nieto, J. Aguilar, S. Ponce, J. Rodríguez J. Sólís y W. Estrada, Degradación de fenol mediante fotocatálisis con Películas delgadas de TiO2 depositadas por rociado pirolítico en el interior de tubos de vidrio, memorias del X Simposio Peruano de Energía Solar, 17-22 Nov. 2003.

[11] P. Galarza, E. Sánchez, D. Maurtua, J. Rodríguez, J. Solís y W. Estrada Desinfección Solar de Aguas en Tambo Pariachi, Huaycán, Lima, Perú, Cap. 3 en Desinfección de aguas en comunidades rurales de America Latina, Ed. Marta Liter y Hector Mansilla, Bs. As. 2003 http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/Sodis-2003.pdf

[12] B. Sommer, A. Mariño, Y. Solarte, M. L. Salas, C. Dierolf, C. Valiente, D. Mora, R. Rechsteiner, P. Setter, W. Wirojanagud, H. Ajarmeh, A. Al-Hassan, M. Wegelin (1997), J Water SRT, Aqua, 46 (1997) 127, SODIS - an emerging water treatment process

[13]M. Wegelin, D. Gechter, S. Hug, A. Mahmud, A. Motaleb, SORAS - a simple arsenic removal process http://www.sandec.ch/WaterTreatment/Documents/SORAS.pdf

[14]C. Jorge, J..Nieto, S..Ponce, J. Rodríguez, J. Solís y W. Estrada, Remoción de Arsénico del agua mediante irradiación solar en Lima, Perú, Cap. 3 en Remoción de arsénico asistida por luz solar en comunidades rurales de América Latina, Ed. Marta Liter y Héctor Mansilla, Bs. As. 2003 http://www.cnea.gov.ar/xxi/ambiental/agua-pura/Raos-2003.pdf

[15]Clido Jorge, Jessica Nieto, Silvia Ponce, Juan Rodríguez, José Solís y Walter Estrada Remoción de arsénico del agua mediante irradiación solar. Memorias del X Simposio Peruano de Energía Solar, 17-22 Nov. 2003.

Nuevas Tecnologías para la purificación de agua en zonas rurales

Juan Rodríguez

Instituto Peruano de Energía NuclearFacultad de Ciencias, Universidad Nacional de Ingeniería

Energía Solar Medio Ambiente y Desarrollo,

Cusco 26 y 27 de Abril del 2004

El problema del agua potable en el mundo

Safe drinking water: the need , the problem and an action plan, Report of the third world academy of Sciences, 2002

La eliminación de contaminantes en aguas mediante metodologías tradicionales es extraordinariamente cara, por lo que se hace imprescindible el desarrollo de tecnologías simples, eficientes y de bajo costo para la eliminación in situ de estas sustancias. No se pretende con esto solucionar el problema del agua – que sería misión del gobierno – sino paliar la situación para evitar el agravamiento de la degradación de la calidad de vida.

Tecnología Fotocatalitica para la purificación delagua

• -Fotocatalizadores dispersos en el volumen del soporte.-Fotocatalizadores soportados como películas delgadas sobre el soporte.

Desinfección y descontaminacion con luz solar

FOTOCATALISIS HETEROGENEAFOTOCATALISIS HETEROGENEADescontaminación obtenida en un semiconductor por acción de los portadores de carga creados al absorber energía comparable al ancho de banda óptico del semiconductor.

hv > Eg

e−

h+

CB

VB

Degradacion del contaminante

3

1

2

5

BT

E

h+

e−

SS

6

7 8

4

Utilizar fotocatalizadores en polvo implica necesariamente la incorporación de una etapa de separación y recuperación del catalizador en el proceso de descontaminación de aguas, una alternativa a ello es soportarlo sobre un substrato fijo.

Sin embargo, surgen problemas adicionales como por ejemplo la reducción del área superficial expuesta a la solución en comparación con las suspensiones.

Por otro lado,problemas de adherencia y de envenenamiento del fotocatalizador son también comunes. Adicionalmente, se debe realizar una adecuada selección del substrato para que su interacción con el fotocatalizador sea, sino benéfica, por lo menos inerte.

Power

Peristaltic pump

Degradacion fotocatalíticade colorantes azoicos con particulas nanometricas de TiO2 soportadas en esferas de vidrio

Balasto

Terrmometro

ReservorioBomba peristatica

Cubierta decuarzo

LamparaUV

Reservorio

Agitador magnetico

Concentración relativa denegro de Hispamina como funcion del tiempo para diferentes fotoctalizadores(a) 25 mg TiO2/L en suspension, (b) TiO2 soportado una vez(c) TiO2 soportado dos veces(d) TiO2 soportado tres veces

0.00.20.40.60.81.01.2

0 30 60 90 120 150 180

Time (min)

C/Co

(a)(b)(c)(d)

Reactor FotocatalíticoLamp: Ultravitalux 300W

Filtro de agua

Agua con taminada con fenol

Agitador magnético

Degradación fotocatalítica de Fenol:Pellets de Silicona-TiO2

0 50 100 150 200 250 300

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Coe

ncet

raci

on re

lativ

a de

l fen

ol (C

/Co)

Tiempo (min)

oscuridad fotolisis fotocatalisis

Evaluación de la actividad fotoacatalítica efectuada con 20 ppm de Fenol. Peso de fotocatalizador es 5 g y el volumen es 200 mL, la intensidad de la lámpara 37.5 W/m2

Degradación fotocatalítica de Fenol:Pellets de Silicona-TiO2

1 2 3 4 50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Con

cetr

acio

n re

lativ

a de

l fen

ol

Numero de degradación

Degradación fotocatalítica de 200 mL de una solución de 20 ppm de fenol sobre diferentes muestras realizadas con muestras de TiO2-silicona el numero de veces indicado. Intensidad : 37.5 W/m2 de UV-A

Pellets TiO2/ carbon Activado : DRX

20 30 40 50 60

+*

AC

A(1

00)

A(2

00)

A(0

04)

A(1

00)

Temperature of calcination:

300 oC

325 oC

350 oC

Inte

nsity

(arb

. uni

ts)

Diffration angle 2θ (deg.)

1 mm

Degradación fotocatalítica de Fenol:Polvo de TiO2/Carbón Activado

0 20 40 60 80 100 120

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Oscuridad Fotocatalisis

% re

lativ

o de

con

cent

raci

ón

Tiempo (min)

Light on

Reactor Foto-electroqímico

Esquema del fotorreactorutilizado para estudiar la Fotoactividad de las películas, se muestran el electrodo de referencia de Ag/AgCl (RE), el electrodo de Pt (CE) y el electrodo de trabajo (WE) depositado sobre una capa de óxido transparente y conductivo(SnO2:F).

Sistema para prueba insitu de la tranmitanciaespectral

KCl

WE (Pelicula de oxido de titanio sobre un conductor transparente )

RE ( Ag/AgCl )

CE ( Pt in encasement )

N2

Lámpara de Hg

0 20 40 60 80 100 120 1400.6

0.7

0.8

0.9

1.0

pH 2 pH 5

Rela

tive

conc

entra

tion

(C/C

o)

Time (min)

Imágenes SEM de películas policristalinas de ZnO formadas a la misma temperatura de 400°C , donde se observa forma planar a pH de 2 mientras que a pH de 5 toma la forma esférica .

Concentración relativa de 10-5 M de anaranjado de metilo, para experimentos de fotocatálisis realizados con Peliculas de ZnOdepositadas a los pHs mostrados(a) pH = 2, (b) pH = 5.

3:1

0.6:1

1:1

0.4:1

Gráfica de Concentración relativa vs. Tiempo durante de irradiación UV en la degradación fotoelectrocatalítica de anaranjado de metilo 0.35mM con las películas de óxido de cinc preparadas con soluciones de concentraciones mostradas de etanol/agua, las muestras fueron sometidas a 0.7 V de potencial bías.

Fotografías SEM de muestras de ZnO depositadasa las razones mostradas de etanol/agua.

Depósito de TiO2 dentro de tubos utilizando la técnica de Rociado Pirolítico

( a )

( b )

( c )

Fotografia que muestra películas de óxido de titanio fabricadas con una relación de isopropoxidode titanio a alcohol etílico de 6:50 formadas por (a) una capa, (b) dos capas y (c) tres capas de TiO2

Sistemas tubulares para fotoctalisis

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0

8

16

24

32

40

Rem

ocio

n de

feno

l (%

)

Número de capas de TiO2

2:50 2:50 con limitador de volumen 6:50 6:50 con limitador de volumen

Desinfección y descontaminacion con luz solar

Pozo artesiano en el asentamiento humano Tambo Pariachi en Huaycán. Nótese la cercanía del río Rimac

Detalle de las muestras durante su irradiación solar

Detalle de la botella de plástico PET pintada de negro.

20

25

30

35

40

45

(a)

Botellas pintadas la mitad con negro de humo botellas de plastico transparente

Tem

pera

tura

(o C)

100

200

300

400

500

60012 13 14 15 16

(a)

Hora de irradiación (pm)

Irradiación solar

Irrad

iaci

ón so

lar (

W/m

2 )

Irradiación solar global

Variación en temperatura medida en botellas transparentes (▲) y en botellas pintadas externamente en su mitad inferior de negro (▼),

concentración de E. coli normalizada, C/Co, en botellas transparentes (■) y botellas pintadas de negro en la mitad inferior (●) durante un experimento típico de descontaminación de agua. C0es la concentración inicial de E. coli.

Agua Fenolada

Botella PETTiO2/AC pellets

10 12 14 16 34 36 38 400.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

C/C

o

Time (hr)

10

100

1000

P

ower

(W/m

2 )

Global solar radiation UV-A (310 nm-400 nm)

10:00 12:00 14:00 16:00 10:00 12:00 14:00

Radiación soilar global y UVA-(310-400 nm)

Concentracion relativa del Fenol(C/Co) vs tiempo durante dos diasconsecutivos de un experimento típico de descontaminacion fotocatalítica realizado con pellets de TiO2/AC colocados en botellas PET llenas con 20 ppm de agua fenolada.

Agua con e-Coli

Botella PETTiO2/AC pellets

0 20 40 60 80 100 1200.0

5.0x104

1.0x105

1.5x105

2.0x105

2.5x105

ucf/m

l

Time (min)

Photolysis Photocatalysis

Tratamiento con luz solar de aguas contaminadas con Arsénico

Como es bien conocido, el arsénico es altamente tóxico y responsable del hidroarsenicismo crónico regional endémico (HACRE), que culmina en lesiones de la piel y cáncer. El arsénico puede abatirse con el método RAOS (Remoción de arsénico por oxidación solar), que agrega citrato (como jugo de limón) al agua de las botellas plásticas (que generalmente contienen sales de hierro), y la exposición al sol conduce a la formación de un precipitado de hidróxido de hierro que flocula y puede filtrarse fácilmente

Modo de colocación de las botellas llenas con agua arseniosa, (b) posición final de la botellas bajo el sol para su irradiación

Tratamiento con luz solar de aguas contaminadas con ArsénicoSe agregan al agua aprox. 10 gotas de

jugo de limón y una solución de Fe(II) en caso de ser necesario. Este tratamiento se realiza en botellas de plástico, que se exponen al sol por algunas horas. Las botellas se colocan luego en posición vertical durante la noche, para que decanten las partículas de hidróxido de hierro conteniendo el As (V), y luego se filtra a través de paños textiles o algodón.

0 2 4 6 8 100

5

10

15

20

25

30

35

Conc

entra

ción

de A

s (p

pb)

Relación molar: Fe2+/Citrato

concentración inicial de As 200 ppb

Concentración de As vs. relación molar Fe2+/citrato. La concentración inicial de As fue de 200 ppb.

0 30 60 90 120 150 180 210 240

100

200

300

400

500

600

700

800

900

(a)

Irrad

iaci

ón s

olar

glo

bal (

W/m

2 )

0 30 60 90 120 150 180 210 2400

5

10

15

20

25

30

35

40(b)

Irrad

iaci

ón U

V-A

(W/m

2 )

0 30 60 90 120 150 180 210 2400

20

40

60

80

100

concentración inicial de As: 200 ppb

(c)

Rem

oció

n de

As

(%)

Tiempo (min)

0 30 60 90 120 150 1800

20

40

60

80

100

concentración inicial de As:500 ppb

(c)

Rem

oció

n de

As

(%)

Tiempo (min)

0 30 60 90 120 150 180450

500

550

600

650

700

750

800

850

900(a)

Irrad

iaci

ón s

olar

(W/m

2 )

0 30 60 90 120 150 1800

5

10

15

20

25

30

35

40(b)

Irrad

iaci

ón U

V-A

(W/m

2 )

Irradiación solar durante un experimento típico de descontaminación de As.

Componente UV-A para un experimento típico de descontaminación de As.

Eficiencia de remoción de arsénico con luz solar para una concentración inicial de As de 200 ppb

Eficiencia de remoción de arsénico con luz solar para una concentración inicial de As de 500 ppb

Bach. Clido Rimach

Bach. Elizabeth Ricra

Bach. Edward Carpio

Bach. Patricia Zuñiga

Bach. José Diaz

Lic. German Comina

Lic. Jessica Nieto

Lic. Rosario López

Ing. Maria Quintana

Dra. Silvia Ponce

Dr. Jose Solís

Dr. Juan Rodriguez

Dr. Walter Estrada

Integrantes:

Agradecimientos:-SOLWATER project ICA4-CT-2002-10001, -Proyecto OEA, ASO Project AE 141/2001 -International Science Porgramme of the Uppsala University. -Instituto de investigación de la UNI

Gracias

Tecnologías económicas para la descontaminación de agua en ... · origen en el agua que...

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