Procedimiento para el tratamiento y degradación de gases tóxicos de origen orgánico mediante técnicas fotocatalíticas.

La presente invención hace referencia a un procedimiento de tratamiento y degradación de gases tóxicos de origen orgánico que permite transformar y mineralizar gases de origen orgánico, descontaminando de esta forma la emisión de gases. Se trata de un procedimiento en continuo que consiste en hacer pasar un flujo de aire que contiene vapores del gas tóxico de origen orgánico a desmineralizar a través de un reactor (3) en cuyas paredes interiores se ha impregnado un catalizador y aplicando una fuente de radiación (2), mediante técnicas fotocatalíticas, al flujo de aire en contacto con el catalizador se obtiene como resultado final del proceso la mineralización del gas tóxico de origen orgánico mediante la oxidación de los compuestos orgánicos hasta CO{sub,2} o especies menos tóxicas

Procedimiento para el tratamiento y degradación de gases tóxicos de origen orgánico mediante técnicas fotocatalíticas.

Sector de la técnica

La presente invención hace referencia a un procedimiento para el tratamiento y degradación de gases tóxicos de origen orgánico mediante técnicas fotocatalíticas.

Estado de la técnica

En las últimas décadas ha habido una preocupación creciente por controlar y tratar las emisiones gaseosas producidas en los distintos procesos industriales o cotidianos debidos a la actividad del hombre. Así en 1997 los gobiernos de 55 naciones acordaron mediante el Protocolo de Kyoto reducir un 5,2% las emisiones de gases de efecto invernadero responsables del cambio climático. Entre estos gases se encuentran principalmente el dióxido de carbono (CO₂), metano (CH₄), óxido nitroso (N₂O), hidrofluorados (HFC), perfluorocarbonos (PFC) y hexafluoruro de azufre. Sin embargo, además de estos gases existen otros compuestos volátiles de uso más cotidiano cuyo efecto tóxico, en la salud del hombre, es más inmediato. Entre estos compuestos se encuentra el metil-terbutil éter (MTBE), un ingrediente de la gasolina formado a partir de gas natural.

Los compuestos orgánicos volátiles (COV) son liberados a la atmósfera, principalmente, en diferentes procesos industriales mediante la combustión de gasolina, madera, carbón o gas natural. También muchos de ellos son emitidos cuando se usan como disolventes industriales como el tolueno, xileno o percloroetileno. Estos compuestos liberados a la atmósfera contribuyen a la formación de ozono troposférico (ozono en la atmósfera inferior, a nivel del suelo). En grandes cantidades este ozono empobrece la calidad del aire, resultando nocivo para el medio ambiente y cancerígeno y tóxico para la salud humana. También, la exposición a largo plazo a los compuestos orgánicos volátiles puede causar lesiones del hígado, riñones y sistema nervioso.

Por ello se han desarrollado distintas normativas, entre ellas la Directiva 13/1999 de la Comunidad Europea, que establece las medidas y limitaciones de las emisiones de COV.

En la actualidad las técnicas fotocatalíticas para el tratamiento de contaminantes han sido aplicadas únicamente en aguas residuales. Por lo tanto la presente invención propone una forma novedosa de aplicación de las técnicas fotocatalíticas para la eliminación y mineralización de contaminantes gaseosos en un sistema en continuo.

Explicación de la invención

La presente invención hace referencia a un procedimiento de tratamiento y degradación de gases tóxicos de origen orgánico que permite transformar y mineralizar gases de origen orgánico, descontaminando de esta forma la emisión de gases. Se trata de un procedimiento en continuo que consiste en hacer pasar un flujo de aire que contiene vapores del gas tóxico de origen orgánico a desmineralizar a través de un reactor en cuyas paredes interiores se ha impregnado un catalizador y aplicando una fuente de radiación, mediante técnicas fotocatalíticas, al flujo de aire en contacto con el catalizador se obtiene como resultado final del proceso la mineralización del gas tóxico de origen orgánico mediante la oxidación de los compuestos orgánicos hasta CO₂ o especies menos tóxicas.

Descripción de las figuras

La figura 1 representa un esquema donde se pueden apreciar todas las etapas del procedimiento de tratamiento y degradación de gases tóxicos de origen orgánico.

Modo preferente de realización de la invención

Aunque la invención se describe en términos de una realización específica preferida, será fácilmente evidente para los expertos en esta técnica que se pueden hacer diversas modificaciones, redisposiciones y reemplazos. El alcance de la invención está definido por las reivindicaciones adjuntas a la misma.

Para explicar detalladamente el modo de realización preferente de la invención se ha escogido el metil-terbutil eter (MTBE) como compuesto orgánico volátil.

En primer lugar se procedió a preparar el catalizador a partir de la mezcla de TiO₂ con una solución acuosa de CuSO₄, removiendo la mezcla durante 48 horas.

Para impregnar el catalizador en las paredes interiores del reactor (3) en primer lugar se evaporó el agua de la mezcla mediante el calentamiento de la misma, a 100ºC y durante 24 horas, posteriormente se calcinó el CuTiO₂ resultante a 400ºC y durante aproximadamente 5 horas.

Una vez preparado el catalizador e impregnado en las paredes del reactor (3) el procedimiento de tratamiento y degradación de gases tóxicos de origen orgánico continuó tal y como se representa en la figura 1.

En un recipiente (1) era calentado continuamente, a 40ºC, una solución acuosa donde se encontraba el MTBE en una relación de volumen 2:1, siendo el pH de la solución de 5. A este recipiente se le inyectó de forma continua un flujo de aire (4) de 150 cm³/min. El flujo de aire resultante, que contenía vapores de agua y MTBE, fue introducido en un reactor (3) de vidrio cilíndrico en espiral de 2 mm de diámetro interno.

A continuación se le aplicó una fuente de radiación (2), utilizando como fuente de energía lámparas comunes de radiación ultravioleta, al flujo de aire que contenía vapores de agua y MTBE.

Los gases de salida de estos sistemas fueron continuamente analizados mediante un cromatógrafo de gases (5) (GC Varían Star 3600) equipado con una válvula de inyección de gases. Este cromatógrafo (5) está dotado de un detector FED para el seguimiento y detección del MTBE e intermedios de reacción tales como alcoholes o ácidos carboxílicos y un detector TCD para el seguimiento y detección del CO₂. También una cámara catalítica fue utilizada para el seguimiento mediante espectroscopia FTIR de los intermedios de reacción en la superficie del catalizador.

Esta técnica se basa en la iluminación de un semiconductor, TiO₂ dopado con Cu en este caso, que actúa como catalizador y que en presencia de radiación ultravioleta genera radicales altamente oxidantes capaces de degradar la materia orgánica. Las reacciones que tienen lugar en este proceso son las siguientes:

Así el TiO₂ en presencia de radiación ultravioleta con suficiente energía es capaz de excitar un electrón (e^-) a niveles más altos de energía generando a su vez un hueco (h⁺). Estos huecos fotogenerados pueden reaccionar directamente con los compuestos orgánicos oxidándolos hasta CO₂ o especies orgánicas menos tóxicas. Los grupos hidroxilos (OH^-) presentes en la superficie del catalizador pueden reaccionar con los huecos generando radicales (OH) altamente oxidantes que degradan la materia orgánica. Del mismo modo, el oxígeno adsorbido en la superficie del catalizador puede reaccionar con los electrones fotogenerados para producir radicales (O₂^-).

En este sistema no se han observado procesos de desactivación dado que el Cu⁺ generado por su reacción con los electrones fotogenerados es nuevamente oxidado a Cu²⁺ mediante el oxígeno.

Aplicación industrial

La principal aplicación industrial es la instalación de este sistema en las chimeneas o campanas extractoras de las industrias donde se generan estos gases evitando así la emisión de estos compuestos. Algunas de las ventajas que presenta este sistema es su bajo coste y el escaso mantenimiento que presenta.

1. Procedimiento para el tratamiento y degradación de gases tóxicos de origen orgánico que comprende las siguientes etapas:

a) Se prepara un catalizador que comprende al menos un componente seleccionado de una lista de elementos en la que se encuentran el TiO₂ y el CuSO₄.

b) Se impregnan las paredes de al menos un reactor con el catalizador anteriormente preparado.

c) Se calienta, de forma continua, una mezcla acuosa que comprende al menos un componente seleccionado de una lista de elementos en la que se encuentra el gas tóxico de origen orgánico que se desea tratar y degradar.

d) Se inyecta un flujo de aire, de forma continua, a la anterior mezcla.

e) El flujo de aire resultante, que contiene vapores de la mezcla, se hace pasar por al menos un reactor cuyas paredes están impregnadas del catalizador anteriormente preparado.

f) Se aplica una fuente de radiación, mediante técnicas fotocatalíticas, al flujo de aire, que contiene vapores de la mezcla, en contacto con el catalizador.

g) Se mineraliza el gas tóxico de origen orgánico mediante la oxidación de los compuestos orgánicos hasta CO₂ o especies menos tóxicas.

2. Procedimiento para el tratamiento y degradación de gases tóxicos de origen orgánico según reivindicación 1 caracterizado porque la impregnación del catalizador comprende las siguientes etapas:

a) Evaporación del agua de la solución catalítica mediante calentamiento a 100ºC durante 15-30 horas.

b) Calcinación del catalizador resultante de la primera etapa a 400ºC durante 3-8 horas.