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Proceso de oxidación avanzado

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 mediante reacciones con radicales hidroxilo (·OH). [1] Sin embargo, en las aplicaciones del mundo real del tratamiento de aguas residuales , este término generalmente se refiere más específicamente a un subconjunto de 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 dependen de la producción in situ de radicales hidroxilo (·OH) altamente reactivos u otras especies oxidativas para la oxidación de contaminantes. Estas especies reactivas se pueden aplicar en agua y pueden oxidar prácticamente cualquier compuesto presente en la matriz acuosa, a menudo a una velocidad de reacción controlada por difusión. En consecuencia, el ·OH reacciona de forma no selectiva una vez formado y los contaminantes se fragmentarán y convertirán rápida y eficientemente 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 TOC , 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 como aromáticos , pesticidas , componentes del petróleo y compuestos orgánicos volátiles en aguas residuales. [5] Además, los AOP se pueden utilizar para tratar efluentes de aguas residuales con tratamiento secundario, lo que luego se denomina tratamiento terciario . [6] Los materiales contaminantes se convierten en gran medida en compuestos inorgánicos estables como agua, dióxido de carbono y sales, es decir, sufren mineralización . Un objetivo de la purificación de aguas residuales mediante 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 sistema de alcantarillado convencional. tratamiento .

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 Glaze et al. . [1] sugirió la posible generación de ·OH "en cantidad suficiente para afectar la purificación del agua" y definió el término "Procesos avanzados de oxidación" por primera vez en 1987. Los POA todavía no se han puesto en uso comercial a gran escala (especialmente en los países en desarrollo) incluso hasta el día de hoy, principalmente debido a los costos asociados relativamente altos. Sin embargo, su alta capacidad oxidativa y eficiencia hacen de los AOP 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 sobre la contaminación del agua están acelerando actualmente la implementación de POA a gran escala. Actualmente hay aproximadamente 500 instalaciones de AOP comercializadas en todo el mundo, principalmente en Europa y Estados Unidos . Otros países como China están mostrando un interés creciente en los AOP. [ cita necesaria ]

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

Principios químicos

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

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

El mecanismo de producción de ·OH (Parte 1) depende en gran medida del tipo de técnica AOP que se utilice. Por ejemplo, la ozonización, 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 del enlace homolítico del enlace OO del 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 ·OH tras la protonación)
HO 3 · → ·OH + O 2
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 conduce a un electrón excitado (e − ) y un espacio 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 + la brecha electrónica altamente reactiva 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 una adición electrofílica que rompe el anillo aromático del benceno (A) y forma dos grupos hidroxilo (–OH) en el intermedio C. Posteriormente, un ·OH agarra un átomo de hidrógeno en uno de los grupos hidroxilo, produciendo una especie radical. (D) que es propenso a sufrir un reordenamiento para formar un radical más estable (E). E, por otro lado, es fácilmente atacado por ·OH y finalmente 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 al final en moléculas pequeñas y estables como H 2 O y CO 2 , pero tales procesos aún pueden estar sujetos a una miríada de Mecanismos posibles y parcialmente desconocidos.

Ventajas

Los POA 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 POA en 1987, el campo ha sido testigo de 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, Photo-Fenton y Electro-Fenton han recibido un examen exhaustivo. Sin embargo, todavía quedan muchas necesidades de investigación sobre estos POA existentes. [ se necesita aclaración ]

Las tendencias recientes son el desarrollo de AOP nuevos y modificados que sean eficientes y económicos. De hecho, se han realizado algunos estudios que ofrecen soluciones constructivas. Por ejemplo, dopar TiO 2 con elementos no metálicos posiblemente podría mejorar la actividad fotocatalítica ; [20] y la implementación de un tratamiento ultrasónico podría promover la producción de radicales hidroxilo. [21] Los AOP modificados, como el Fenton de lecho fluidizado, también han demostrado un gran potencial en términos de rendimiento de degradación y economía. [22]

Ver también

Referencias

  1. ^ ab Glaze, William; Kang, Joon-Wun; Chapin, Douglas H. (1987). "La química de los procesos de tratamiento de agua que implican ozono, peróxido de hidrógeno y radiación ultravioleta". Ozono: ciencia e ingeniería . 9 (4): 335–352. Código Bib : 1987OzSE....9..335G. doi :10.1080/01919518708552148.
  2. ^ Instituto Nacional de Investigaciones del Agua (2000). Tecnologías de tratamiento para la eliminación de metil terbutil éter (MTBE) del agua potable: Capítulo III Procesos avanzados de oxidación .
  3. ^ Lee, Brandon Chuan Yee; Lim, Fang Yee; Loh, Wei Hao; Ong, digamos 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 avanzados de oxidación: 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's: 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 peróxido de hidrógeno/UV 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, Félix Y.; Pervez, Md. Nahid (2019). "Degradación eficiente del mordiente azul 9 mediante el sistema de persulfato activado por Fenton". Agua . 11 (12): 2532. doi : 10.3390/w11122532 . ISSN  2073-4441.
  8. ^ "Aproveche la primavera de 2023 de Virginia". www.kelmanonline.com . Consultado el 12 de mayo de 2023 .
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  11. ^ Mazille, Félicien. "Procesos Avanzados de Oxidación | SSWM. Saneamiento Sostenible y Gestión del Agua". Archivado desde el original el 28 de mayo de 2012 . Consultado el 13 de junio de 2012 .
  12. ^ Lee, Brandon Chuan Yee; Lim, Fang Yee; Loh, Wei Hao; Ong, digamos 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 .
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  14. ^ El Mountassir EL MOUCHTARI, Carol ABDEL NOUR, Anne PIRAM, Stéphanie ROSSIGNOL y Pascal WONG-WAH-CHUNG (abril de 2019). "Primeros resultados sobre el rendimiento de purificación del sistema LaVie" (PDF) . La vida .{{cite web}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
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  17. ^ Sistema medioambiental Solarchem (1994). El manual de oxidación y UV .
  18. ^ "Procesos avanzados de oxidación". Tecnologías neopuras. Archivado desde el original el 18 de agosto de 2018 . Consultado el 27 de marzo de 2016 .
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