FOTORREACTOR PARA TRATAMIENTO DE AGUAS CONTAMINADAS.

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.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201100554.

Solicitante: UNIVERSIDAD DE CANTABRIA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: TEJERO MONZON,JUAN IGNACIO, RODRIGUEZ HERNANDEZ,LETICIA, CASTRILLO MELGUIZO,MARÍA, BENGURIA URIBE,PABLO.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B01J19/12 SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B01 PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL.B01J PROCEDIMIENTOS QUIMICOS O FISICOS, p. ej. CATALISIS, QUIMICA DE LOS COLOIDES; APARATOS ADECUADOS (procedimientos o aparatos para usos específicos, ver las clases correspondientes a los procedimientos o al equipo, p. ej. F26B 3/08). › B01J 19/00 Procedimientos químicos, físicos o físico-químicos en general (tratamiento físico de las fibras, hilos, hilados, tejidos, plumas o artículos fibrosos hechos de estas materias, ver los lugares apropiados para dicho tratamiento, p. ej. D06M 10/00 ); Aparatos apropiados (accesorios, cargas o rejillas especialmente adaptadas para el tratamiento biológico del agua, agua residual o de alcantarilla C02F 3/10; placas o rejillas de chapoteo especialmente adaptadas para los enfriadores por chorreo F28F 25/08). › utilizando radiaciones electromagnéticas.
  • C02F1/32 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C02 TRATAMIENTO DEL AGUA, AGUA RESIDUAL, DE ALCANTARILLA O FANGOS.C02F TRATAMIENTO DEL AGUA, AGUA RESIDUAL, DE ALCANTARILLA O FANGOS (procedimientos para transformar las sustancias químicas nocivas en inocuas o menos perjudiciales, efectuando un cambio químico en las sustancias A62D 3/00; separación, tanques de sedimentación o dispositivos de filtro  B01D; disposiciones relativas a las instalaciones para el tratamiento del agua, agua residual o de alcantarilla en los buques, p. ej. para producir agua dulce, B63J; adición al agua de sustancias para impedir la corrosión C23F; tratamiento de líquidos contaminados por radiactividad G21F 9/04). › C02F 1/00 Tratamiento del agua, agua residual o de alcantarilla (C02F 3/00 - C02F 9/00 tienen prioridad). › por luz ultravioleta.
FOTORREACTOR PARA TRATAMIENTO DE AGUAS CONTAMINADAS.

Fragmento de la descripción:

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:

• Baja eficacia de la iluminación (limitaciones en la transferencia de fotones).

• Contacto limitado entre el catalizador activado y los reactivos (limitaciones en la transferencia de masa).

El primer problema afecta directamente a la eficiencia energética y fotónica. Una vez que el catalizador es activado por la luz incidente, se debe lograr maximizar el contacto entre el catalizador y los reactivos en el fluido a procesar. El grado de optimización en la transferencia de masa se cuantifica de forma mayoritaria mediante la cantidad de área superficial por unidad de volumen de reactor, pero habitualmente este parámetro no es suficiente, ya que no refleja la facilidad de las partículas de contaminante de alcanzar la superficie del catalizador.

Existen otros problemas que, aunque tomados individualmente contribuyen menos sustancialmente al rendimiento global del fotorreactor, tomados de forma global sí que repercuten en el rendimiento y por lo tanto deben ser tenidos en cuenta en la etapa de diseño del fotorreactor. Entre ellos podemos citar:

• Optimización de la eficiencia de luz incidente; relacionado con la eficacia en la conversión de energía de activación en luz así como minimización del consumo energético de la fuente de luz.

• Mejora de la activación del catalizador; relacionado con el dopaje del catalizador para aumentar su actividad o cambio de la longitud de onda de activación del mismo (del espectro UV al visible) y prevención de...

 


Reivindicaciones:

1. 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),

estando el fotorreactor caracterizado por que dichos 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.

2. El fotorreactor de la reivindicación 1, donde dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) son guías conductoras de luz.

3. El fotorreactor de la reivindicación 2, donde dichas guías conductoras de luz son núcleos de fibra óptica.

4. El fotorreactor de la reivindicación 2, donde dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) son varillas huecas.

5. El fotorreactor de la reivindicación 2, donde dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) son varillas macizas.

6. El fotorreactor de cualquiera de las reivindicaciones 2-5, donde dichas guías conductoras de luz se alimentan a través de una pluralidad de fuentes de luz (12, 22).

7. El fotorreactor de la reivindicación 6, donde dicha pluralidad de fuentes de luz (12, 22) se sitúa en el interior del fotorreactor, en al menos uno de los laterales de dichas estructuras (13, 23, 33, 43) para soportar dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41).

8. El fotorreactor de la reivindicación 6, donde dicha pluralidad de fuentes de luz (12, 22) se sitúa en el exterior del fotorreactor, transmitiéndose la luz emitida hacia las guías conductoras de luz a través de fibra óptica.

9. El fotorreactor de la reivindicación 6, donde dicha pluralidad de fuentes de luz (12, 22) están situadas en al menos dos laterales de dichas estructuras (13, 23, 33, 43) para soportar dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41).

10. El fotorreactor de la reivindicación 1, donde dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) son lámparas de descarga.

11. El fotorreactor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un único módulo (112, 212) situado en el interior del depósito (15), que ocupa toda la planta del mismo, comprendiendo el fotorreactor medios para hacer circular verticalmente el agua, bien en sentido ascendente o descendente.

12. El fotorreactor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el catalizador utilizado es TiO2 y la luz emitida por dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) es radiación ultravioleta.

13. El fotorreactor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cada uno de dichos planos paralelos horizontales con respecto a la línea de agua en los que están dispuestos dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) está desplazado horizontalmente con respecto a los planos inmediatos superior en inferior.

14. El fotorreactor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) de cada uno de dichos planos paralelos horizontales con respecto a la línea de agua en los que están dispuestos dichos elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) están dispuestos en sentido perpendicular con respecto a los elementos radiantes de luz (11, 21, 31, 41) de planos contiguos.


 

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