Dispositivo para depuración de medios contaminados.

Permite eliminar elementos no deseados en medios líquidos o gaseosos mediante el uso de fotodepuración,

incorporando una lámina (2) de material con efecto fotovoltaico en volumen encargado de formar un campo eléctrico inducido por radiación luminosa, y una fuente de radiación luminosa directa (3) encargada de iniciar el efecto fotovoltaico en volumen de la lámina (2), así como adicionalmente puede incorporar al menos una canalización (7) encargada de delimitar el flujo del medio (6) a depurar.

Dispositivo para depuración de medios contaminados.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a dispositivo para la eliminación de impurezas o contaminantes en medios líquidos.

El objeto de la invención consiste en la eliminación de elementos no deseados en medios líquidos o gaseosos mediante el uso de fotodepuración.

Antecedentes de la invención

Como consecuencia de la actividad industrial, cantidades muy significativas de contaminantes químicos son vertidas al medio ambiente de forma creciente, en particular en las aguas residuales domésticas e industriales y en el aire. En el caso del agua, los principales contaminantes corresponden a agentes tensoactivos, plaguicidas, hidrocarburos, colorantes y productos farmacéuticos.

En la actualidad existen diversos procedimientos para la depuración del agua y aire contaminados, ya sea por agentes químicos o biológicos. Dejando de lado los simples procesos de purificación química, en particular mediante el tratamiento de las aguas con hipoclorito, la mayor parte de los procedimientos propuestos se basan en el empleo de materiales capaces de generar efectos fotoquímicos al absorber radiación luminosa.

Este tipo de compuestos ha llevado a la concepción de la así llamada "depuración fotocatalítica" del agua. La variante más conocida y desarrollada de los procedimientos basados en la fotocatálisis corresponde al empleo de dióxido de titanio (TiO₂), que requiere ser iluminado con luz ultravioleta para su activación [Nowotny, 2008, Ener. & Environm. Sci. 1(5), 565-572]. La energía de la luz promueve un electrón de la banda de valencia a la de conducción, generándose en la superficie del material regiones con carga negativa y positiva que dan lugar a procesos electroquímicos con formación de especies oxidantes reactivas. Aunque el procedimiento de fotocatálisis con (TiO₂) permite la degradación de compuestos orgánicos contaminantes, la misma requiere iluminación con luz ultravioleta, que no abunda en la radiación solar disponible o que es costosa en el caso de tener que producirse artificialmente.

También pueden utilizarse procedimientos basados en la simple exposición de los medios biológicamente contaminados a la luz ultravioleta aprovechando su acción germicida, pero la generación y aplicación de la luz ultravioleta artificial en grandes superficies es muy costosa y, por el contrario, el componente ultravioleta solar es relativamente pequeño. Tampoco parece relevante y/o rentable el uso de la luz ultravioleta para degradar contaminantes químicos presentes en el medio acuoso. La aplicación de complejos de rutenio para el tratamiento de aguas contaminadas es otra opción en estudio [Jiménez-Hernández et al., 2006, Solar Ener. 80(10), 1382-1387; Villén et al., 2006, App. Catalysis B 69 (1-2), 1-9]. Existen estrategias parecidas al empleo de complejos de rutenio, pero a base de colorantes orgánicos, para el tratamiento de aguas destinadas a usos recreacionales, tales como fuentes o aguas para limpieza [Hubig et al., 2004, J. Opt. Soc. Am. A 21 (10), 1975-1987].

El efecto fotovoltaico en volumen (EFV) permite la generación de intensos campos eléctricos tras la absorción de fotones por parte de ciertos materiales [Glass & von der Linde, 1974, Phys. Lett. 25(4), 233-235; Buse, 1997, Appl. Phys. B, 64, 273-291; Sturman et al., 2008, Phys. Rev. B, 78, 245114]. El mismo es debido a la excitación de electrones desde una impureza (como átomos de Fe) hasta la banda de conducción de determinados materiales (como niobatos, titanatos o tantalatos). Estos materiales presentan un eje de polarización espontánea debido al cual los electrones excitados tienden a migrar preferentemente a lo largo de una dirección privilegiada del cristal. La acumulación de cargas en los extremos de dicho eje provoca la aparición de un campo eléctrico interno, que aumenta hasta que la cantidad de carga depositada alcanza la saturación (por Ej., 10⁵ V/cm en el niobato de litio dopado con hierro, LiNbO₃:Fe) [Grousson et al., 1983, J. Appl. Phys. 54(6), 3012-3016; Falk et al., 2007, Appl. Phys. B, 87, 119-122].

Los materiales que presentan EFV se han utilizado principalmente en la fabricación de dispositivos ópticos, usándose en guías de onda y fibras ópticas para aplicaciones de fotónica integrada y modulación/procesado óptico de señal e imagen. También existen algunas aplicaciones propuestas para obtener energía eléctrica a partir de células fotovoltaicas con estos materiales [Glass et al., 1976, US Patent 3,975,632; Hikita, 1994, US Patent 5,364,710]. Recientemente se ha comercializado una fuente de rayos-X basada en el efecto piroeléctrico, muy parecido al EFV, excepto que el campo eléctrico no es generado por absorción de luz sino por un cambio de temperatura [Kukhtarev et al., 2004, J. Appl. Phys. 96(11), 6794-6798]. A menudo materiales con EFV también muestran actividad piroeléctrica.

Descripción de la invención

Se propone un dispositivo que hace uso de un sistema fotodepurador consistente en láminas de materiales que muestran efecto fotovoltaico en volumen para el tratamiento del agua y aire contaminados por agentes químicos y/o microbiológicos. El intenso campo eléctrico generado por exposición a la luz visible-ultravioleta-infrarroja cercana produciría especies químicas reactivas, incluyendo las derivadas del oxígeno, y cambios de pH responsables de la degradación de contaminantes químicos y bacterianos.

Los materiales susceptibles de ser utilizados son: niobatos, tantalatos y titanatos de metales alcalinos y alcalinotérreos (en especial de litio, potasio y bario), en general dopados con metales de transición (preferentemente hierro). En el caso del niobato de litio dopado con hierro (LiNbO₃:Fe), el material es insoluble en agua y no presenta capacidad química o tóxica en ausencia de luz. Por el contrario, láminas de este material sí producen daño químico al ser expuestas a la iluminación solar, evidenciado por la decoloración de colorantes disueltos en agua y usados como sistemas modelo de fotodegradación.

El intenso campo eléctrico generado en las inmediaciones del cristal produce una degradación en el medio y por tanto este campo puede ejercer un daño químico y una acción citotóxica a través de varias vías, complementarias entre sí.

En primer lugar, debido al campo fotovoltaico, el material puede actuar como elemento electroquímico. En las caras correspondientes a los extremos del eje c de polarización espontánea del material cristalino se acumulan cargas de signo opuesto, las cuales darían lugar a especies reactivas de oxígeno y compuestos citotóxicos al interactuar con el medio circundante, ya sea éste líquido o gaseoso. En caso de un medio acuoso, al igual que con el TiO₂, las superficies cristalinas llevarían a cabo una electrólisis del agua en virtud del campo fotovoltaico. La misma tendría dos aspectos importantes en relación con la producción de daño químico y biológico: la generación de agentes oxidantes (radical hidroxilo y superóxido, oxígeno singlete, y sobre todo peróxido de hidrógeno,) y reductores (hidrógeno atómico, hidrógeno molecular), y el establecimiento de un gradiente de pH (ácido-alcalino) en extremos opuestos de los cristales por ionización, formándose protones (H₃O⁺) y aniones hidroxilo (OH^-).

En segundo lugar, el propio campo podría afectar el delicado equilibrio que mantiene el potencial de membrana de la célula viva. Este potencial es debido al bombeo selectivo de iones por parte de la célula, que depende de energía. Existen canales iónicos en la membrana celular que son sensibles a cambios del potencial a ambos lados de la membrana celular. Un intenso campo eléctrico externo puede modificar el tránsito de iones a través de estos canales, dando como resultado una alteración grave de la composición interna del medio interno que lleva a la destrucción de las células, por Ej., microorganismos. Los mecanismos de daño biológico ocurrirían cuando las células están cercanas o en contacto con el material fotovoltaico.

La primera ventaja de este procedimiento es que solo requiere el contacto del medio contaminado con láminas iluminadas del material fotovoltaico, no siendo necesaria la presencia de iones metálicos o reactivos orgánicos coadyuvantes en solución para mejorar la eficacia fotodepuradora, como ocurre con la fotocatálisis...

1. Dispositivo (1) depurador de medios (6) líquidos y/o gaseosos caracterizado porque comprende: