Tratamiento combinado de efluentes gaseosos mediante plasma frío y fotocatálisis.

Dispositivo para el tratamiento de efluentes gaseosos, comprendiendo el dispositivo

un conducto (4) que permite el paso de los efluentes;

dos electrodos metálicos (8) que presentan al menos una barrera dieléctrica en un espacio entre ellos y que están dispuestos conectados al conducto (4), estando los electrodos (8) conectados a un generador (10);

al menos una fuente de radiación ultravioleta (UV) (16); y

un medio para la introducción de radiación ultravioleta (UV) en dicho espacio entre los electrodos (8);

caracterizándose el dispositivo por

un fotocatalizador depositado sobre un soporte fibroso (12) y situado dentro del conducto (4) en dicho espacio.

Tratamiento combinado de efluentes gaseosos mediante plasma frío y fotocatálisis.

La invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo que permiten el tratamiento eficaz de efluentes gaseosos, en particular de compuestos orgánicos volátiles (COV) , combinando las técnicas de plasma frío y fotocatálisis.

La invención se puede usar en un gran número de aplicaciones, en particular en la industria química, la industria agrícola y alimentaria, la industria petroquímica, la purificación de agua, la destrucción de olores y en talleres de pintura, por razones de eficacia, económicas y medioambientales.

El plasma frío y la fotocatálisis son dos tecnologías conocidas en sí mismas y que se pueden aplicar en la industria.

La fotocatálisis es un procedimiento químico que involucra un agente fotocatalítico, es decir, un denominado fotocatalizador, que es capaz de destruir diversos contaminantes orgánicos presentes en el aire o el agua mediante una reacción provocada por excitación fotónica UV.

Esquemáticamente, la reacción fotocatalítica se inicia activando un sólido semiconductor mediante radiación UV a una longitud de onda inferior a 380 nanómetros, lo que provoca cambios electrónicos en el semiconductor y conduce, en presencia de aire o agua, a la creación de radicales de oxígeno en la superficie del semiconductor. Estos radicales atacan los compuestos orgánicos adsorbidos al semiconductor y, mediante una sucesión de reacciones químicas que implican el oxígeno del aire o del agua, degradan los compuestos orgánicos hasta que el carbono de las cadenas carbonadas se haya transformado por completo en dióxido de carbono (CO2) .

La reacción fotocatalítica es capaz de destruir, mediante el procedimiento antes descrito, un gran número de contaminantes del aire, en particular NOx, NH3, H2S, CO, O3, alquenos C2-C4 clorados o no clorados, clorometano, isooctano, benceno, tolueno, xilenos, isopropilbenceno, alcoholes alifáticos saturados o insaturados, metilmercaptano, clorofenoles, nitrofenoles, éter metiltertiobutílico, dimetoximetano, aldehídos C1-C4, acetona, ácido fórmico, ácido acético, ácido 2-metilpropanoico, cloruro de dicloroacetilo, dimetilformamida, trimetilformamida, acetonitrilo y piridina.

En la práctica se usa como fotocatalizador dióxido de titanio (TiO2) activado por luz UV. Esta radiación UV conduce en la superficie del fotocatalizador a la formación de radicales hidroxilo OH·-y radicales de superóxido O2· capaces de atacar los compuestos orgánicos adsorbidos al TiO2 y de degradarlos hasta la completa mineralización de la materia orgánica.

No obstante, es posible aplicar otros agentes fotocatalíticos como, por ejemplo, los seleccionados del 40 grupo de los óxidos metálicos, óxidos alcalinotérreos, óxidos de actínidos y óxidos de tierras raras.

El uso de la fotocatálisis para el tratamiento de efluentes gaseosos se describe, por ejemplo, en el documento WO 00/72945.

Sin embargo, las principales limitaciones de la fotocatálisis residen en el hecho de que, por una parte, el rendimiento fotónico de esta reacción es relativamente bajo y, por otra, ciertos compuestos, en particular los compuestos fluorados, no se pueden descomponer mediante esta reacción.

El principio del plasma frío consiste en generar, mediante un pulso de corriente, compuestos químicos 50 primarios altamente reactivos (radicales, iones, especies excitadas) , así como fotones ultravioletas y visibles. Por lo tanto, se ha propuesto usar plasma, y en especial la muy alta energía de los electrones así generados, para romper los enlaces o anillos de las moléculas en el tratamiento de los efluentes gaseosos.

En la práctica, el plasma frío a presión atmosférica se obtiene aplicando un pulso de alto voltaje entre dos 55 electrodos con el fin de ionizar el gas situado entre los dos electrodos, evitando al mismo tiempo el paso al arco eléctrico. Para evitar el desarrollo de un arco eléctrico la técnica anterior recomienda colocar entre los dos electrodos una o dos barreras dieléctricas compuestas por un material aislante.

En una realización particular, se aplica una descarga de barrera dieléctrica (DBD) compuesta por

microfilamentos de plasma ("hilo") que se establecen tras la propagación en un espacio interelectrodo de una carga eléctrica denominada hilo. Su duración es muy corta, del orden de varias docenas de nanosegundos. Cada microfilamento es un canal cilíndrico estrecho (radio de 50 a 100 μm) . El intercambio de energía entre electrones acelerados y moléculas se produce principalmente en el hilo. Los electrones energéticos (varios eV) excitan las moléculas y, por tanto, transforman una parte de su energía cinética en energía almacenada en los compuestos químicos excitados y los radicales libres.

El uso de la tecnología del plasma frío, en particular en combinación con DBD, se ha descrito ya para destruir moléculas de tipo COV.

Además, la técnica anterior menciona la mejora que se obtiene en el tratamiento de los COV empleando plasma frío a presión atmosférica en presencia de un sólido de tipo TiO2 o MnO2, asimilado entonces a un catalizador heterogéneo (Futamara y col., Catalysis Today 89 (2004) 89-95) .

Estas dos tecnologías conocidas, es decir la fotocatálisis y el plasma frío, se han usado ya en combinación.

El documento EP-A2-1086740 describe un procedimiento para el tratamiento de sustancias nocivas contenidas en gas de desecho y un aparato para realizar el procedimiento. El problema comentado en el documento EP se refiere al tratamiento de sustancias nocivas usando materiales tales como TiO2 como agentes fotocatalíticos, 20 que necesitan ser excitados con radiación ultravioleta. El problema real comentado en la publicación EP reside en que la aplicación de la fotocatálisis, que requiere radiación UV, está limitada al uso exterior, como rejas de carga, superficies de carga y paredes exteriores de edificios. Por lo tanto, la fotocatálisis no se puede usar para purgar los gases de desecho emitidos por incineradoras urbanas y plantas industriales de tratamiento de desechos. Como solución al problema el documento EP sugiere que se puede mejorar la eficacia del tratamiento excitando un material fotocatalítico con radiación ultravioleta emitida por el plasma de descarga.

El documento WO-A1-00/71867 describe un sistema más o menos similar para la purificación de gases de escape; y, más concretamente, para la purificación de gases de escape de un motor de combustión interna de un vehículo usando metales preciosos como catalizadores activos a altas temperaturas. El sistema de purificación comprende un reactor que incluye un soporte en forma de panal con una pluralidad de células de soporte, presentando cada una de ellas una capa fotocatalítica aplicada sobre una superficie de pared de cada una de las células de soporte, y un medio generador de plasma con una pluralidad de células de electrodo que está montado en un extremo interior y un extremo exterior del soporte en forma de panal. La capa fotocatalítica se activa mediante la radiación ultravioleta emitida por el plasma de descarga.

Dados los problemas de eficacia, económicos y medioambientales antes mencionados existe una demanda creciente de soluciones técnicas que permitan mejorar el proceso de eliminación de los compuestos orgánicos presentes en los efluentes gaseosos de cualquier origen. Sin embargo, los experimentos realizados muestran que la disposición de superficies fotocatalíticas en un reactor y la activación del fotocatalizador mediante radiación UV

procedente del plasma no son lo suficientemente eficaces para la aplicación industrial, pues el efecto de la radiación UV emitida por el plasma parece ser mínimo.

De acuerdo con la presente invención se propone el tratamiento combinado con plasma frío y fotocatálisis con una fuente adicional de radiación UV. Sucede que estas dos tecnologías son perfectamente complementarias y 45 compatibles: el plasma permite destruir los compuestos orgánicos, incluidos los halógenos, generando ozono; la fotocatálisis, activada por su propia fuente de radiación UV en presencia de ozono, produce una mineralización más rápida de los compuestos orgánicos y la degradación del ozono en el curso del proceso.

De hecho, el solicitante muestra la existencia de un efecto sinérgico cuando estas dos tecnologías se 50 combinan para el tratamiento de efluentes gaseosos.

Más concretamente, el solicitante muestra que el tratamiento con plasma + TiO2 + UV (adicional) proporciona mejores resultados en cuanto a la velocidad de degradación y la concentración residual de COV que... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para el tratamiento de efluentes gaseosos, comprendiendo el dispositivo 5 un conducto (4) que permite el paso de los efluentes; dos electrodos metálicos (8) que presentan al menos una barrera dieléctrica en un espacio entre ellos y que están dispuestos conectados al conducto (4) , estando los electrodos (8) conectados a un generador (10) ; 10 al menos una fuente de radiación ultravioleta (UV) (16) ; y un medio para la introducción de radiación ultravioleta (UV) en dicho espacio entre los electrodos (8) ;

caracterizándose el dispositivo por 15 un fotocatalizador depositado sobre un soporte fibroso (12) y situado dentro del conducto (4) en dicho espacio.

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque ambos electrodos (8) están colocados fuera del conducto (4) .

3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el conducto (4) se fabrica de un material que es transparente a la radiación ultravioleta y porque dicho medio para la introducción de radiación UV es al menos una lámpara (16) generadora de radiación ultravioleta (UV) situada fuera pero dirigida hacia el interior del conducto (4) .

4. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicho medio para la introducción de radiación UV es al menos un LED UV dispuesto en las proximidades de dicho fotocatalizador.

5. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicho medio para la introducción de radiación UV es al menos una fibra óptica capaz de transmitir la radiación UV en las proximidades de dicho 30 fotocatalizador.

6. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el generador (10) genera una tensión alterna entre 1 Hz y 1.000 Hz y con una tensión máxima de 50 kV.

7. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la lámpara UV

(16) presenta una intensidad luminosa del orden de 50 mW/cm2.

8. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el fotocatalizador se selecciona del grupo formado por óxidos metálicos, óxidos alcalinotérreos, óxidos de actínidos y óxidos de tierras 40 raras.

9. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el fotocatalizador es dióxido de titanio (TiO2) .

10. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el fotocatalizador se deposita sobre un soporte fibroso (12) usando partículas de SiO2, formándose una capa con un gramaje de 5 a 40 g/m2.

11. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque el soporte 50 fibroso (12) se compone de fibras de vidrio, fibras orgánicas naturales o sintéticas o el soporte fibroso es un soporte no tejido.

12. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el soporte fibroso (12) recubierto con un fotocatalizador está dispuesto perpendicularmente a los electrodos (8) y al flujo de los 55 efluentes gaseosos.

13. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque el soporte (12) se presenta en forma de soporte permeable o en forma de panales apilados.

14. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque el soporte fibroso (12) recubierto con un agente fotocatalítico está dispuesto en paralelo a los electrodos (8) y en paralelo al flujo de los efluentes gaseosos y porque el soporte se presenta en forma de una sucesión de capas paralelas.

15. Procedimiento que tiene lugar en un dispositivo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15 para tratar efluentes gaseosos sometiendo dichos efluentes a un tratamiento simultáneo con plasma frío y fotocatálisis bajo radiación ultravioleta (UV) no procedente del plasma en un reactor (2) , caracterizado por colocar un soporte fibroso (12) recubierto con un fotocatalizador en dicho reactor (2) entre dichos electrodos (8) .

16. Procedimiento para tratar efluentes gaseosos de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque los efluentes gaseosos comprenden compuestos orgánicos volátiles, en particular disolventes orgánicos halogenados.

17. Procedimiento para tratar efluentes gaseosos de acuerdo con la reivindicación 15 o 16, caracterizado porque el procedimiento permite tratar efluentes gaseosos que comprenden una concentración de COV de 1 ppbv y varios miles de ppmv.

18. Procedimiento para tratar efluentes gaseosos de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado por disponer una fuente de UV dentro del reactor (2) . 20

19. Procedimiento para tratar efluentes gaseosos de acuerdo con la reivindicación 18, caracterizado porque la fuente de UV es una lámpara UV o un LED UV.

20. Procedimiento para tratar efluentes gaseosos de acuerdo con la reivindicación 18, caracterizado por 25 llevar la radiación UV desde la fuente de UV hasta el interior del reactor (2) por medio de fibras ópticas.