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Proceso de oxidación avanzada

Los procesos de oxidación avanzada ( POA ), en un sentido amplio, son un conjunto de procedimientos de tratamiento químico diseñados para eliminar materiales orgánicos (y a veces inorgánicos) en agua y aguas residuales mediante oxidación a través de reacciones con radicales hidroxilo (·OH). [1] Sin embargo , en aplicaciones del mundo real del tratamiento de aguas residuales , este término generalmente se refiere más específicamente a un subconjunto de dichos procesos químicos que emplean ozono (O 3 ), peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ) y luz ultravioleta [2] o una combinación de los pocos procesos. [3]

Descripción

Los AOP se basan en la producción in situ de radicales hidroxilo altamente reactivos (·OH) u otras especies oxidativas para la oxidación de contaminantes. Estas especies reactivas se pueden aplicar en agua y pueden oxidar virtualmente cualquier compuesto presente en la matriz acuosa, a menudo a una velocidad de reacción controlada por difusión. En consecuencia, el ·OH reacciona de manera no selectiva una vez formado y los contaminantes se fragmentarán y convertirán de manera rápida y eficiente en pequeñas moléculas inorgánicas. Los radicales hidroxilo se producen con la ayuda de uno o más oxidantes primarios (p. ej. ozono , peróxido de hidrógeno , oxígeno ) y/o fuentes de energía (p. ej. luz ultravioleta ) o catalizadores (p. ej. dióxido de titanio ). Se aplican dosis, secuencias y combinaciones precisas y preprogramadas de estos reactivos para obtener un rendimiento máximo de •OH. En general, cuando se aplican en condiciones adecuadas, los AOP pueden reducir la concentración de contaminantes de varios cientos de ppm a menos de 5 ppb y, por lo tanto, reducir significativamente la DQO y el COT , lo que les valió el crédito de "procesos de tratamiento de agua del siglo XXI". [4]

El procedimiento AOP es particularmente útil para limpiar materiales biológicamente tóxicos o no degradables tales como aromáticos , pesticidas , componentes del petróleo y compuestos orgánicos volátiles en aguas residuales. [5] Además, los AOP se pueden utilizar para tratar el efluente de aguas residuales tratadas secundariamente, lo que luego se denomina tratamiento terciario . [6] Los materiales contaminantes se convierten en gran parte en compuestos inorgánicos estables tales como agua, dióxido de carbono y sales, es decir, experimentan mineralización . Un objetivo de la purificación de aguas residuales por medio de procedimientos AOP es la reducción de los contaminantes químicos [7] y la toxicidad hasta tal punto que las aguas residuales limpiadas puedan reintroducirse [8] en corrientes receptoras o, al menos, en un tratamiento de aguas residuales convencional .

Aunque los procesos de oxidación que involucran ·OH se han utilizado desde finales del siglo XIX (como el reactivo de Fenton , que se usaba como reactivo analítico en ese momento), la utilización de tales especies oxidativas en el tratamiento del agua no recibió la atención adecuada hasta que Glaze et al. [1] sugirieron la posible generación de ·OH "en cantidad suficiente para afectar la purificación del agua" y definieron el término "Procesos de Oxidación Avanzada" por primera vez en 1987. Los AOP aún no se han puesto en uso comercial a gran escala (especialmente en países en desarrollo) incluso hasta hoy, principalmente debido a los costos asociados relativamente altos. Sin embargo, su alta capacidad oxidativa y eficiencia hacen que los AOP sean una técnica popular en el tratamiento terciario en el que se deben eliminar los contaminantes orgánicos e inorgánicos más recalcitrantes. El creciente interés en la reutilización del agua y las regulaciones más estrictas con respecto a la contaminación del agua están acelerando actualmente la implementación de los AOP a gran escala. Hay aproximadamente 500 instalaciones de AOP comercializadas en todo el mundo en la actualidad, principalmente en Europa y los Estados Unidos . Otros países como China están mostrando un interés creciente en los AOP. [ cita requerida ]

La reacción, utilizando H 2 O 2 para la formación de ·OH, se lleva a cabo en un medio ácido (pH 2,5-4,5) [9] y a baja temperatura (30 °C - 50 °C), [10] de forma segura y eficiente, utilizando formulaciones optimizadas de catalizador y peróxido de hidrógeno.

Principios químicos

En términos generales, la química en los AOP podría dividirse esencialmente en tres partes: [11]

  1. Formación de ·OH;
  2. Ataques iniciales a moléculas objetivo por ·OH y su descomposición en fragmentos;
  3. Ataques posteriores por ·OH hasta la mineralización final .

El mecanismo de producción de ·OH (Parte 1) depende en gran medida del tipo de técnica de AOP que se utilice. Por ejemplo, la ozonización, la UV/H 2 O 2, la oxidación fotocatalítica y la oxidación de Fenton dependen de diferentes mecanismos de generación de ·OH:

H 2 O 2 + UV → 2·OH (la escisión homolítica del enlace OO de H 2 O 2 conduce a la formación de radicales 2·OH)
HOCl + UV → ·OH + Cl·
O 3 + HO − → HO 2 − + O 2 (la reacción entre O 3 y un ion hidroxilo conduce a la formación de H 2 O 2 (en forma cargada))
O 3 + HO 2 − → HO 2 · + O 3 − · (una segunda molécula de O 3 reacciona con el HO 2 − para producir el radical ozónido)
O 3 − · + H + → HO 3 · (este radical da lugar a ·OH tras la protonación)
HO3 · → ·OH + O2
Los pasos de reacción presentados aquí son solo una parte de la secuencia de reacción, consulte la referencia para obtener más detalles.

Fe 2+ + H 2 O 2 → Fe 3+ + HO· + OH − (iniciación del reactivo de Fenton)

Fe 3+ + H 2 O 2 → Fe 2+ + HOO· + H + (regeneración del catalizador Fe 2+ )

H 2 O 2 → HO· + HOO· + H 2 O (Autoeliminación y descomposición de H 2 O 2 )

Los pasos de reacción presentados aquí son solo una parte de la secuencia de reacción, consulte la referencia para obtener más detalles.

TiO 2 + UV → e − + h + (la irradiación de la superficie fotocatalítica produce un electrón excitado (e − ) y un gap electrónico (h + ))
Ti(IV) + H 2 O ⇌ Ti(IV)-H 2 O (el agua se adsorbe en la superficie del catalizador)
Ti(IV)-H 2 O + h + ⇌ Ti(IV)-·OH + H + el espacio electrónico altamente reactivo reaccionará con el agua
Los pasos de reacción presentados aquí son solo una parte de la secuencia de reacción, consulte la referencia para obtener más detalles.

Actualmente no hay consenso sobre los mecanismos detallados en la Parte 3, pero los investigadores han arrojado luz sobre los procesos de ataques iniciales en la Parte 2. En esencia, ·OH es una especie radical y debería comportarse como un electrófilo altamente reactivo. Por lo tanto, se supone que dos tipos de ataques iniciales son la abstracción y la adición de hidrógeno . El siguiente esquema, adoptado de un manual técnico y posteriormente refinado, describe un posible mecanismo de oxidación del benceno por ·OH. [17]

Mecanismo propuesto de oxidación del benceno por radicales hidroxilo

Esquema 1. Mecanismo propuesto de oxidación del benceno por radicales hidroxilo.

El primer y segundo paso son la adición electrofílica que rompe el anillo aromático en el benceno (A) y forma dos grupos hidroxilo (–OH) en el intermedio C. Más tarde, un ·OH captura un átomo de hidrógeno en uno de los grupos hidroxilo, produciendo una especie radical (D) que es propensa a sufrir una reorganización para formar un radical más estable (E). E, por otro lado, es fácilmente atacado por ·OH y eventualmente forma 2,4-hexadieno-1,6-diona (F). Mientras haya suficientes radicales ·OH, los ataques posteriores al compuesto F continuarán hasta que todos los fragmentos se conviertan en moléculas pequeñas y estables como H 2 O y CO 2 al final, pero tales procesos aún pueden estar sujetos a una miríada de mecanismos posibles y parcialmente desconocidos.

Ventajas

Los AOP presentan varias ventajas en el campo del tratamiento del agua:

Deficiencias actuales

Los AOP no son perfectos y tienen varios inconvenientes. [18]

Futuro

Desde que se definieron por primera vez los AOP en 1987, el campo ha experimentado un rápido desarrollo tanto en teoría como en aplicación. Hasta ahora, los sistemas TiO 2 /UV, los sistemas H 2 O 2 /UV y los sistemas Fenton, foto-Fenton y Electro-Fenton han sido objeto de un escrutinio exhaustivo. Sin embargo, todavía hay muchas necesidades de investigación sobre estos AOP existentes. [ aclaración necesaria ]

Las tendencias recientes apuntan al desarrollo de nuevos AOP modificados que sean eficientes y económicos. De hecho, existen algunos estudios que ofrecen soluciones constructivas. Por ejemplo, dopar TiO2 con elementos no metálicos podría mejorar la actividad fotocatalítica ; [20] y la implementación del tratamiento ultrasónico podría promover la producción de radicales hidroxilo. [21] Los AOP modificados, como el lecho fluidizado Fenton, también han demostrado un gran potencial en términos de rendimiento de degradación y economía. [22]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Glaze, William; Kang, Joon-Wun; Chapin, Douglas H. (1987). "La química de los procesos de tratamiento del agua que implican ozono, peróxido de hidrógeno y radiación ultravioleta". Ozono: ciencia e ingeniería . 9 (4): 335–352. Bibcode :1987OzSE....9..335G. doi :10.1080/01919518708552148.
  2. ^ Instituto Nacional de Investigación del Agua (2000). Tecnologías de tratamiento para la eliminación del éter metil terbutílico (MTBE) del agua potable: Capítulo III Procesos avanzados de oxidación .
  3. ^ Lee, Brandon Chuan Yee; Lim, Fang Yee; Loh, Wei Hao; Ong, Say Leong; Hu, Jiangyong (enero de 2021). "Contaminantes emergentes: una descripción general de las tendencias recientes para su tratamiento y gestión mediante procesos impulsados ​​por la luz". Agua . 13 (17): 2340. doi : 10.3390/w13172340 . ISSN  2073-4441.
  4. ^ ab Munter, Rein (2001). "Procesos de oxidación avanzados: estado actual y perspectivas". Actas de la Academia de Ciencias de Estonia. Química . 50 (2): 59–80. doi :10.3176/chem.2001.2.01. S2CID  239610363.
  5. ^ Enric Brillasa; Eva Mur; Roser Sauleda; Laura Sánchez; José Peral; Xavier Domènech; Juan Casado (marzo de 1998). "Mineralización de anilina por AOP: oxidación anódica, fotocatálisis, procesos electro-Fenton y fotoelectro-Fenton". Catálisis Aplicada B: Ambiental . 16 (1): 31–42. Código Bib : 1998AppCB..16...31B. doi :10.1016/S0926-3373(97)00059-3.
  6. ^ ab WTM Audenaert; Y. Vermeersch; SWH Van Hulle; P. Dejans; A. Dumouilin; I. No abre (2011). "Aplicación de un modelo mecanicista de UV/peróxido de hidrógeno a escala real: análisis de sensibilidad, calibración y evaluación del rendimiento". Revista de Ingeniería Química . 171 (1): 113-126. Código Bib :2011ChEnJ.171..113A. doi :10.1016/j.cej.2011.03.071. hdl : 1854/LU-1260447 .
  7. ^ Naddeo, Vincenzo; Zarra, Tiziano; Xia, Dongsheng; Cai, Yingjie; Telegin, Felix Y.; Pervez, Md Nahid (2019). "Degradación eficiente del azul mordiente 9 utilizando el sistema de persulfato activado por Fenton". Agua . 11 (12): 2532. doi : 10.3390/w11122532 . ISSN  2073-4441.
  8. ^ "Aproveche la primavera de Virginia en 2023". www.kelmanonline.com . Consultado el 12 de mayo de 2023 .
  9. ^ Kang, Yun Whan; Cho, Min-Jung; Hwang, Kyung-Yup (1 de abril de 1999). "Corrección de la interferencia del peróxido de hidrógeno en la prueba de demanda química de oxígeno estándar". Water Research . 33 (5): 1247–1251. Bibcode :1999WatRe..33.1247K. doi :10.1016/S0043-1354(98)00315-7. ISSN  0043-1354.
  10. ^ Mandal, Tamal; Maity, Sudakshina; Dasgupta, Dalia; Datta, Siddhartha (1 de enero de 2010). "Proceso de oxidación avanzada y biotratamiento: sus funciones en el tratamiento combinado de aguas residuales industriales". Desalación . 250 (1): 87–94. Bibcode :2010Desal.250...87M. doi :10.1016/j.desal.2009.04.012. ISSN  0011-9164.
  11. ^ Mazille, Félicien. «Procesos de oxidación avanzados | SSWM. Saneamiento sostenible y gestión del agua». Archivado desde el original el 28 de mayo de 2012. Consultado el 13 de junio de 2012 .
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  13. ^ ab "Eliminación de contaminantes emergentes mediante luz". encyclopedia.pub . Consultado el 14 de noviembre de 2021 .
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  17. ^ Solarchem Environmental System (1994). Manual de oxidación y radiación ultravioleta .
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  19. ^ Cai, QQ; Wu, MY; Li, R.; Deng, SH; Lee, BCY; Ong, SL; Hu, JY (1 de junio de 2020). "Potencial de oxidación avanzada combinada: proceso biológico para la eliminación rentable de materia orgánica en concentrado de ósmosis inversa producido a partir de la recuperación de aguas residuales industriales: evaluación de tecnologías de pretratamiento de AOP". Revista de ingeniería química . 389 : 123419. Bibcode :2020ChEnJ.38923419C. doi :10.1016/j.cej.2019.123419. ISSN  1385-8947. S2CID  209723537.
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