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DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN REACTOR TUBULAR FOTOCATALÍTICO (UV-A) PARA LA DEGRADACIÓN DE DESECHOS QUÍMICOS ORGÁNICOS Autora:Yazmín Lorena.

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1 DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UN REACTOR TUBULAR FOTOCATALÍTICO (UV-A) PARA LA DEGRADACIÓN DE DESECHOS QUÍMICOS ORGÁNICOS Autora:Yazmín Lorena Ramírez Director: Melvin Durán

2 Trabajo final de grado para optar al título de: Universidad Tecnológica de Pereira Escuela de Química

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5 PROCESOS AVANZADOS DE OXIDACIÓN (PAOs)

6 VENTAJAS DE LOS PROCESOS AVANZADOS DE OXIDACIÓN Una de las ventajas más importantes es que cambian químicamente el contaminante Son muy útiles para contaminantes recalcitrantes que resisten otros métodos de tratamiento (biológico). Elimina efectos sobre la salud de desinfectantes y oxidantes residuales como el cloro Generalmente mejoran las características organolépticas del agua tratada Generalmente mejoran las características organolépticas del agua tratada. Sirven para tratar contaminantes a muy baja concentración, por ejemplo, ppb, no generando productos secundarios o presentándose en muy baja cantidad. Mineralización de compuestos orgánicos a CO2 + H 2 O + Sales Mineralización de compuestos orgánicos a CO2 + H 2 O + Sales. Usualmente no generan lodos que a su vez requieren de un proceso de tratamiento y/o disposición.

7 COMPONENTES NECESARIOS PARA QUE LA REACCIÓN DE FOTOCATÁLISIS TENGA LUGAR Un elemento a degradar. Un elemento aceptor de electrones de electrones El catalizador Un medio en el que tenga lugar el proceso Fuente de energía

8 BV BC Electrones (-) Huecos (-) O2O2 O 2 - Contaminantes CO 2, H 2 O, Acidos minerales minerales Hv>Eq FOTOCATALISIS HETEROGÉNEA

9 COLORANTE RODAMINA B Xanteno

10 Catalizador Dióxido de Titanio

11 Parámetros que influyen en el proceso fotocatalítico Radiación y Longitud de onda Catalizador Concentración del Contaminante Agente aceptor de electrones Calidad del agua a tratar

12 REACTORES PARA FOTOCATÁLISIS CON LUZ ULTRAVIOLETA ARTIFICIAL Reactor Tipo Batch Reactor Tubular en espiral concéntrico Reactor con lámpara de inmersión

13 Transmitancia de algunas materiales válidos para el diseño de reactores Vidrio Pyrex

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15 OBJETIVO GENERAL Diseñar, construir y poner en marcha un reactor tubular fotocatalítico (UV-A) y evaluar su funcionalidad experimental a escala de laboratorio mediante la degradación del compuesto orgánico Rodamina B.

16 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Diseñar un fotoreactor tubular a escala de laboratorio, que utilice luz artificial (UV-A) y catalizador en suspensión (TiO 2 ). Diseñar un fotoreactor tubular a escala de laboratorio, que utilice luz artificial (UV-A) y catalizador en suspensión (TiO 2 ). Construir el fotoreactor con las especificaciones de diseño. Construir el fotoreactor con las especificaciones de diseño. Comprobar la eficiencia de degradación utilizando un compuesto orgánico estándar en este caso el colorante Rodamina B. Comprobar la eficiencia de degradación utilizando un compuesto orgánico estándar en este caso el colorante Rodamina B.

17 Evaluar la degradación del colorante Rodamina B utilizando análisis fotométrico Evaluar la degradación del colorante Rodamina B utilizando análisis fotométrico. Determinar la cinética de reacción para el colorante Rodamina B. Determinar la cinética de reacción para el colorante Rodamina B.

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19 Construcción de la carcasa con dimensiones adecuadas para la ubicación del reactor tubular y la instalación de la lámpara (UV-A). Construcción de la carcasa con dimensiones adecuadas para la ubicación del reactor tubular y la instalación de la lámpara (UV-A). Construcción del reactor tubular en vidrio pyrex. Construcción del reactor tubular en vidrio pyrex. Montaje e instalación de sus partes junto con las acometidas eléctricas. Montaje e instalación de sus partes junto con las acometidas eléctricas. Construcción del fotoreactor

20 NúmeroCantidadNombreDescripción 11 Soporte Central Icopor 21Tapa Acrílico 6mm 31SerpentínVidrio 41Carcasa Acrílico 6mm 51Lámpara UV 26W 357nm 61Plafón 72MangueraCaucho 86 Tornillo Cab. plana #10-24 UNC x 1 96Tuerca mariposa No LISTA DE PARTES DEL REACTOR TUBULAR FOTOCATALÍTICO (UV-A)

21 Carcasa: Acrílico Carcasa: Acrílico Superficie Reflectante Superficie Reflectante Zona de Reacción: Zona de Reacción: Volumen del reactor: cm 3 Volumen del reactor: cm 3 Fuente de radiación: Fuente de radiación: lámpara UV: Potencia 26W lámpara UV: Potencia 26W Longitud de onda 357nm Longitud de onda 357nm Catalizador Catalizador

22 Vista Lateral del Reactor Tubular fotocatalítico (UV-A) con sus respectivas medidas de diseño. : Carcasa : 28,1 cm de largo 28,1 cm de largo 24,5 cm de ancho 24,5 cm de ancho 6mm de espesor 6mm de espesor Reactor : Longitud: 306,31cm. Longitud: 306,31cm. Volumen: cm 3 Volumen: cm 3 Altura: 12.4cm Altura: 12.4cm Diametrointerno Diametrointerno Diametro de la espiral Diametro de la espiral

23 Los parámetros de operación se utilizaron para los tres casos de estudio: Se trabaja a tres diferentes flujos volumétricos de agua a tratar: 0,316 L/min Flujo a: 0,316 L/min : 0,545 L/min Flujo b: 0,545 L/min 0,857 L/min Flujo c: 0,857 L/min Concentración inicial de Rodamina B por el orden de El TiO 2 se trabaja a una concentración de 0,7g/L en cada ensayo. El volumen procesado en el reactor es de 1 litro por ensayo. El tiempo de recirculación fluctuó entre 1 y 4 horas.

24 El régimen de flujo, acorde a las condiciones de diseño del equipo y a la capacidad de bombeo fue turbulento para favorecer los procesos difusivos dentro del foto reactor, ideal para el buen funcionamiento del proceso. Los números de Reynolds son los siguientes: Los números de Reynolds son los siguientes: Re=4461 para el flujo a. Re=7695 para el flujo b. Re=12095 para el flujo c. Los tiempos de Residencia son: θ=4,1s para el flujo a. θ=2,4s para el flujo b. θ=1,5s para el flujo c.

25 EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA DEL SISTEMA Se tomo como sustrato a degradar el colorante Rodamina B con el fin de comprobar la efectividad del foto reactor tubular (UV-A).

26 Montaje Experimental

27 Preparación de la disolución del colorante Rodamina B Se inicia el bombeo hacia el fotoreactor Se recircula la solución por 3 min con agitación continua Se mide absorbancia a 554 nm Añadir una cantidad de 0,7g/L de TiO2 Los primeros 15 min la lámpara permanece apagada Se toma una alícuota de 5mL Filtrar con un filtro para jeringa Fisherbrand de membrana o,22 µm Se mide absorbancia Se enciende la lámpara para dar inicio a la fotoreacción Cada 10 min se toman alícuotas de 5mL Filtrar Medir absorbancia Detener las mediciones hasta que la solución se torne incolora Procedimiento Experimental

28 Se obtiene una degradación de 98,6% a los 80min de reacción con una concentración inicial de 6,9x10 -6 mol/L y un flujo de 0,857 g/L.

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30 A = C + 0,0052 Donde A corresponde a la Absorbancia y C a la concentración de Rodamina B en mol/L Donde A corresponde a la Absorbancia y C a la concentración de Rodamina B en mol/L. Concentración de Rodamina B = Absorbancia – 0, % Degradación = Ci – Cf x 100 Ci Ci

31 PORCENTAJES DE DEGRADACIÓN DEL COMPUESTO RODAMINA B

32 CINÉTICA DE REACCIÓN PARA EL COLORANTE RODAMINA B

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34 Flujo (L/min) (L/min) Constante Cinética K (min -1 ) 0,3160,0105 0,3160,0112 0,3160,0122 0,5450,0159 0,5450,0177 0,5450,0189 0,8570,0420 0,8570,0459 0,8570,0492 Promedio Constante Cinética K (min -1 ) 0,0113 0,0175 0,0453 RELACIÓN ENTRE FLUJOS VOLUMÉTRICOS Y CONSTANTES CINÉTICAS DE VELOCIDAD (k)

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36 Se construyó un reactor tubular fotocatalítico (UV-A), volumen igual a 22,98 cm 3, 306,31cm de largo, y un espesor de 6mm; con el cual es posible tratar residuos de compuestos orgánicos diluidos en agua.Se construyó un reactor tubular fotocatalítico (UV-A), volumen igual a 22,98 cm 3, 306,31cm de largo, y un espesor de 6mm; con el cual es posible tratar residuos de compuestos orgánicos diluidos en agua. Con la construcción de este Fotoreactor Tubular (UV-A), se ha hecho un aporte importante a las personas que realizan sus prácticas e investigaciones en los laboratorios del Grupo de Investigación en Fotocatálisis y Estado Sólido (GIFES) de la Universidad Tecnológica de Pereira para el fortalecimiento de su formación académica.Con la construcción de este Fotoreactor Tubular (UV-A), se ha hecho un aporte importante a las personas que realizan sus prácticas e investigaciones en los laboratorios del Grupo de Investigación en Fotocatálisis y Estado Sólido (GIFES) de la Universidad Tecnológica de Pereira para el fortalecimiento de su formación académica.

37 Se determina que el uso de este fotoreactor, resulta bastante eficiente ya que se logra comprobar una remoción de más de un 90% del colorante Rodamina B en cada uno de los ensayos. Se determina que el uso de este fotoreactor, resulta bastante eficiente ya que se logra comprobar una remoción de más de un 90% del colorante Rodamina B en cada uno de los ensayos. Se observa en las gráficas de la cinética de reacción un índice de correlación superior a 0.90 Lo cual nos indica un porcentaje superior al 90 % de confiabilidad. Se observa en las gráficas de la cinética de reacción un índice de correlación superior a 0.90 Lo cual nos indica un porcentaje superior al 90 % de confiabilidad.

38 Se demuestra por medio del Reactor que el proceso fotocatálitico logra oxidar el compuesto orgánico presente en el agua. Se muestra la eficiencia global del proceso mediante el efecto de la luz ultravioleta con el catalizador TiO 2. Se demuestra por medio del Reactor que el proceso fotocatálitico logra oxidar el compuesto orgánico presente en el agua. Se muestra la eficiencia global del proceso mediante el efecto de la luz ultravioleta con el catalizador TiO 2. La configuración del sistema fotocatalítico que utiliza una lámpara ultravioleta de fácil adquisición y bajo costo, permite en tiempos razonables (< 2horas) la desaparición del compuesto orgánico inicialmente estudiado. La configuración del sistema fotocatalítico que utiliza una lámpara ultravioleta de fácil adquisición y bajo costo, permite en tiempos razonables (< 2horas) la desaparición del compuesto orgánico inicialmente estudiado. Los resultados obtenidos se ajustan mejor con el modelo de orden uno, ya que el coeficiente de correlación estadística R 2 fue el más cercano a uno en cada uno de los ensayos. Los resultados obtenidos se ajustan mejor con el modelo de orden uno, ya que el coeficiente de correlación estadística R 2 fue el más cercano a uno en cada uno de los ensayos.

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40 1. Utilizar el reactor tubular construído para el monitoreo de reacciones, verificando siempre la compatibilidad de los reactivos con el mismo. 2. Realizar nuevas investigaciones incluyendo: El estudio de otros factores en la degradación o reducción fotocatalítica de los contaminantes como: El estudio de otros factores en la degradación o reducción fotocatalítica de los contaminantes como: i. intensidad de radiación. ii. Presencia de otros componentes en el agua a tratar. iii. Otro tipo de catalizador, entre otros factores.

41 3. Realizar otro tipo de degradaciones en el reactor tubular fotocatalítico (UV-A) con diferentes condiciones. 4. Se podría extender el estudio a mayor cantidad de flujos para poder buscar el comportamiento entre la constante cinética y el flujo 4. Se podría extender el estudio a mayor cantidad de flujos para poder buscar el comportamiento entre la constante cinética y el flujo.

42 AGRADECIMIENTOS A Dios quien es el ser mas importante en mi vida. A Dios quien es el ser mas importante en mi vida. A mi familia por su apoyo incondicional. A mi familia por su apoyo incondicional. A la Universidad Tecnológica De Pereira por su labor en mi formación académica, cultural y social. A la Universidad Tecnológica De Pereira por su labor en mi formación académica, cultural y social. A Melvin Durán y Hoover Valencia por su apoyo incondicional y por estar siempre atentos a las variantes del proyecto. A Melvin Durán y Hoover Valencia por su apoyo incondicional y por estar siempre atentos a las variantes del proyecto.

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