Un fotorreactor para tratamiento de aguas contaminadas que comprende un depósito (15) que a su vez comprende:

un volumen de agua contaminada (14); un conducto de entrada (18) y otro de salida (19); al menos un elemento difusor de aire (16) situado en el fondo del depósito (15); al menos un módulo (112, 212) situado en el interior del depósito (15), que comprende unas estructuras (13, 23, 33, 43) que a su vez soportan a una pluralidad de elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) en contacto con dicho volumen de agua contaminada (14), donde dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) están recubiertos de un catalizador configurado para activarse al impactar con el mismo la radiación luminosa radiada por dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41). Los elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) están dispuestos en planos paralelos horizontales con respecto a la línea de agua, y dicho al menos un elemento difusor de aire (16) está configurado para introducir burbujas de aire en dirección perpendicular a dichos planos horizontales, de forma que dichas burbujas de aire deben hacer un recorrido laberíntico al pasar entre los elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41), generando así turbulencia en dicho volumen de agua contaminada (14) y favoreciendo el contacto entre contaminante y catalizador.

Fotorreactor para tratamiento de aguas contaminadas.

Campo de la invención

La presente invención corresponde al sector técnico del tratamiento de masas o corrientes de agua contaminadas con compuestos conocidos como contaminantes emergentes (pesticidas, fármacos, disruptores endocrinos, etc.) mediante el uso de tecnologías de oxidación avanzada (AOP's).

Antecedentes de la invención

A medida que las concentraciones de contaminantes orgánicos aumentan en la atmósfera o en las aguas, leyes, reglamentos y directrices son cada vez más estrictos. Como respuesta, el desarrollo de nuevos métodos respetuosos con el medio ambiente se hace una tarea imperativa.

Entre los métodos estudiados últimamente destacan los procesos de oxidación avanzada (AOP's del inglés Advanced Oxidation Processes) para la eliminación de sustancias orgánicas sintéticas. Estos procesos se basan en la generación in situ de radicales altamente reactivos, como el radical OH^\text{*}, mediante energía solar, química o de otro tipo. Una de las características más interesantes de los AOP's radica en la potencia y capacidad del radical OH^\text{*} de destrucción no selectiva de un amplio abanico de sustancias químicas orgánicas.

Entre los AOP's que en la actualidad se estudian como sistemas de tratamiento de aguas residuales se encuentran los procesos basados en la fotocatálisis heterogénea. Esta es una disciplina que engloba una gran variedad de reacciones: síntesis orgánica, hidrólisis del agua, fotorreducción, depósito de metales, desinfección, detoxificación de agua, etc. Entre todas estas aplicaciones, la fotocatálisis heterogénea basada en el uso de dióxido de titanio (TiO₂) se ha convertido en un método alternativo para la purificación de efluentes de aire y agua. El dióxido de titanio se ha convertido en el fotocatalizador más ampliamente utilizado porque es química y biológicamente inerte, fotocatalíticamente estable, relativamente fácil de producir y usar, capaz de funcionar como catalizador eficiente, barato y sin riesgos para el medio ambiente y la salud humana.

La reacción fotocatalítica se inicia cuando un electrón fotoexcitado es promovido desde la capa de valencia de un catalizador semiconductor (SC) hasta un nivel superior, dejando un hueco en la capa de valencia (h⁺). Esto tiene lugar porque la energía del fotón absorbido iguala o supera el band gap (diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción) del fotocatalizador.

La oxidación y la reducción tienen lugar en la superficie del fotocatalizador fotoexcitado. La recombinación entre el electrón y el hueco en la capa de valencia ocurre a menos que exista oxígeno para captar los electrones y formar superóxidos (O₂^{• -}), la forma protonada del radical hidroperoxilo (HOO^•) y en consecuencia H₂O₂, por lo que es importante la existencia de oxígeno u otro aceptor de electrones durante el proceso de fotocatálisis. De lo contrario se produciría la recombinación de los pares electrón-hueco sin dar tiempo a que tuviera lugar la reacción de oxida- ción.

Los fotocatalizadores de titanio pueden ser usados en forma de partículas individuales en suspensión o como recubrimiento de una superficie. El uso de TiO₂ en forma de fino polvo suspendido en agua contaminada proporciona una gran superficie disponible pero presenta un gran inconveniente, su recuperación tras el tratamiento. Las configuraciones de superficies recubiertas eliminan la necesidad de filtración posterior al tratamiento para recuperar o eliminar el catalizador del efluente tratado pero, normalmente, los sistemas así diseñados tienen menor eficiencia, llegando a reportar reducciones de entre el 60-70% en la eficacia del catalizador inmovilizado comparado con tratamientos con catalizador suspendido (Kabra, K. et al, 2004).

Para la implementación industrial de los procesos de fotocatálisis avanzada es necesaria la utilización de un fotorreactor; dispositivo en el cual tanto los fotones como los reactantes están en contacto con el fotocatalizador. Una vez transcurrida la reacción dentro de este reactor, este permite recoger el agua tratada.

Los fotorreactores difieren significativamente de los reactores químicos tradicionales en su geometría física; ya que de ésta depende en gran medida que los fotones se introduzcan y utilicen de forma eficiente.

Existen varios factores importantes a la hora de diseñar un reactor fotocatalítico dado que la necesidad de utilizar un catalizador sólido complica el proceso con respecto a los procesos químicos convencionales. En este tipo de reactores es evidente que, además de tener que conseguir un buen contacto entre los reactivos y el catalizador (elevada área superficial de catalizador por unidad de volumen del reactor), es igualmente necesario lograr una exposición eficiente del catalizador a la luz útil para el proceso (distribución óptima de luz dentro del reactor). Además hay que considerar los parámetros convencionales tales como distribución de flujo, mezclado e interacción entre reactivos y catalizador, transferencia de masa, etc. juegan un papel muy importante en el desarrollo del proceso.

Los criterios en los que se basa el diseño de reactores para tratamiento de aguas mediante fotocatálisis heterogénea, utilizando TiO₂ como catalizador fijado en superficies, se pueden clasificar en cuatro grupos atendiendo a la optimización de los principales factores a tener en cuenta. Estos factores son el propio proceso de fotocatálisis, la eficiencia energética del proceso, la inversión requerida y los gastos de operación y la posibilidad de ser escalado.

Dentro de las configuraciones con el catalizador en recubrimiento, se pueden distinguir los fotorreactores de soporte suspendido y los de soporte fijo. Entre los soportes en suspensión se encuentran distintos materiales y distintas formas, como anillos o esferas. En cuanto a los soportes fijos se han encontrado muy diversas configuraciones, como tubos de vidrio recubriendo a la fuente de iluminación, estructuras monolíticas o discos rotatorios.

Hasta la actualidad varios reactores han sido propuestos de cara a su escalado industrial, sin embargo no se conoce el uso extendido de ninguno de ellos en las plantas de tratamiento de aguas residuales o de potabilización.

Estos reactores se deben evaluar en función de su rendimiento en el proceso fotocatalítico, teniendo en cuenta parámetros de eficiencia de la reacción: eficiencia fotónica, energética, económica, etc. Los principales problemas que se han encontrado al respecto ("A review of intensification of photocatalytic processes", Tom Van Gerven et al., Chemical Engineering Processing 46 (2007) 781-789) radican en:

1. Un fotorreactor para tratamiento de aguas contaminadas que comprende: