UNIVERSITAT DE BARCELONA DEPARTAMENT D’ ENGINYERÍA QUÍMICA Tratamiento de oxidación avanzada Santiago Esplugas Recife Agosto 2009

2/45 PROGRAMA 1. Panorámica del tratamiento de aguas. Concepto de contaminante. Parámetros asociados al tratamiento de aguas. Potabilización de aguas. Depuración de aguas (1h). 2. Eliminación de contaminantes por métodos químicos. Métodos químicos. Oxidantes usados a escala industrial. El radical hidroxilo. Tipos de oxidación avanzada.(1h) 3. Fotoquímica. Características de la radiación. Fuentes de radiación. Tipos de reactores fotoquímicos. Ecuaciones básicas para el diseño de fotoreactores. (2h) 4. Tratamientos de oxidación mediante ozono. Características físicas del ozono. Reactividad y propiedades físicas del ozono. Generación de ozono. Importancia de la transferencia de materia. Tipos de contactores. Aplicaciones principales del ozono. Ventajas e inconvenientes de la aplicación del ozono. Procesos de oxidación avanzada basados en ozono y ozono/uv. (4h) 5. Tratamientos de oxidación avanzada que utilizan peroxido de hidrogeno. Características del peròxido de hidrógeno. Procesos Fenton i Foto-Fenton. (1h) 6. Tratamientos de oxidación avanzada mediante fotocatàlisis.(2h) 7. Otros tratamientos de oxidación avanzada: Oxidación húmeda, Procesos Electroquímicos, Sonólisis y Cavitación, etc. Acoplamiento con Procesos Biológicos. (1h)

3/45 FOTOQUIMICA Características de la radiación Fuentes de radiación Fotolisis de agua Tipos de reactores fotoquímicos Ecuaciones basicas para el diseño de fotoreactores

4/45 leyes de fotoquimica Ley de Gropus Solo la radiación absorbida puede producir cambios químicos. Lley de Beer-Lambert q =q 0 exp (- .x) photon/(m 2.s) Rendimiento cuántico (Quantum yield) Moleculas que reaccionan por foton absorbido

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6/45 energia visible-ultravioleta Energia foton de long. de onda E = h.c/ h (Planck) = J.s c (luz) = m/s = m Einstein = 1 mol de fotones

7/45 Potencia fuente UV 254 nm 4W lamp power Einstein/s 4 W

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9/45 energia uv-visible UV-VISIBLE ENERGIA 200 nm140 kcal.mol nm 40 kcal.mol -1 VISIBLE UV radiación ultravioleta ~ nm visible ~ nm infrarrojo cercano ~ nm infrarrojo lejano nm UVA 320 – 400 nm UVB 280 – 320 nm UBC 100 – 280 nm

10/45 TIPOS DE FUENTES DE RADIACIÓN Natural (sol) directa difusa Artificial arcos de vapor de mercurio otras lamparas laser 2 cal/(min.cm 2 )

11/45 radiación solar (m =1)

12/45 Radiación solar (m =1) radiación solar

13/45 lamparas de baja presión 5 – 60 W

14/45 Black blue light lamparas de baja presión 5 – 60 W

15/45 lamparas de media presión -125 – 400 W

16/45 Lamparas de alta presión – 1000 – 5000 W

17/45 FOTOLISIS DE AGUA Energia de enlace O-H en H 2 O: ca. 497 kJ mol -1 (corresponde a wavelength = 240 nm) H 2 O + hν → °OH + H° Φ = 0.42 a 172 nm H° + O 2 → HO 2 ° Reacciones de Termination 2 °OH → H 2 O 2 2 H° → H 2 HO 2 ° + °OH → H 2 O + O 2 2 HO 2 ° → H 2 O 2 + O nm

18/45 VCV lamps ( = 180 nm) Excimer lamps Venatjas: no se añade gas, liquido o solido Inconveniente: muy limitada penetracion (micras) de los fotones elevado coste de radiación de 180 (Xe lamp) producción de ozono Potencial aplicction: microelectronica, tartamiento de gas FOTOLISIS DE AGUA

19/45 Destruccion de microorganismos D= factor de reduccion t = dosis (mW.s/cm 2 ) FOTODESINFECCION Lamparas UVC (254 nm)

20/45 UV 254 nm dosis (mW.s/cm 2 ) para 90% eliminacion FOTODESINFECCION Ejemplo. Para pasar de conc de fungi de 10 mg/L a 0,001 mg/L se necesitan 4 reducciones log. Como D = 9 se necesitaran 9*4 = 36 mW.s/cm 2

21/45 tubular elipticotanque agitado FOTORREACTORES parabolico lecho de partículas anular agitado

22/45 fotorreactores tubulares

23/45 fotorreactores multitubulares

24/45 Helioman-PSA – Almeria fotorreactores solares

25/45 parabolic CPC-PSA – Almeria fotorreactores solares

26/45 CPC-PSA – Almeria fotorreactores solares

27/45 estimación caudal fotones entrada y aborbido útil para evaluar rendimientos quánticos (mol reaccionado/Einstein absorbido) eficiencias quanticas (mol reaccionado/Einstein entrado) basado en modelos de emisión * fuente de radiacion externa * fuente de radiacion interna

28/45 radiación paralela ESTIMACIÓN DEL CAUDAL DE FOTONES zona oscura d W abs = caudal de fotones absorbido, Eisnteins/s W e = caudal de fotones que entra, Eisnteins/s W L = caudal de fotones emitido por la lámpara, Eisnteins/s W p = caudal de fotones emitido por al lámpara, Eisnteins/s = absorbancia solucion reactor, 1/m d = espesor reactor, m

29/45 ESTIMACIÓN DEL CAUDAL DE FOTONES ENTRADA fuente lineal reactor W e = caudal de fotones que entra, Eisnteins/s W L = caudal de fotones emitido por al lampara, Eisnteins/s = angulo de vision del reactor, radianes d = espesor reactor, m zona oscura emision radial d

30/45 ESTIMACIÓN DEL CAUDAL DE FOTONES ABSORBIDO fuente lineal reactor W abs = caudal de fotones absorbido, Eisnteins/s W e = caudal de fotones que entra, Eisnteins/s W L = caudal de fotones emitido por al lampara, Eisnteins/s = absorbancia solucion reactor, 1/m d = espesor reactor, m zona oscura d

31/45 ESTIMACIÓN DEL CAUDAL DE FOTONES fuente lineal W abs = caudal de fotones absorbido, Eisnteins/s W e = caudal de fotones que entra, Eisnteins/s W L = caudal de fotones emitido por la lampara, Eisnteins/s = absorbancia solucion reactor, 1/m d = espesor reactor, m zona oscura d emisión radial d

32/45 ESTIMACIÓN DEL CAUDAL DE FOTONES ENTRADA fuente lineal W e = caudal de fotones que entra, Eisnteins/s W L = caudal de fotones emitido por la lampara, Eisnteins/s R in = radio interior reactor, m H = altura reactor, m L = longitud lampara, m zona semioscura d emisión esférica R in H x Modelo Dranoff Vicente et al. Chem Eng J 27 (1983)

33/45 ESTIMACIÓN DEL CAUDAL DE FOTONES ENTRADA fuente lineal W e = caudal de fotones que entra, Eisnteins/s W L = caudal de fotones emitido por la lampara, Eisnteins/s R in = radio interior reactor, m H = altura reactor, m L = longitud lampara, m zona semioscura d emisión esférica R in H x Modelo Dranoff lámpara centrada

34/45 ESTIMACIÓN DEL CAUDAL DE FOTONES ENTRADA Vicente et al. Chem Eng J 27 (1983)

35/45 Esplugas et al. Chem Eng J 34 (1987) R ou R H L x s z R in ESTIMACIÓN DEL CAUDAL DE FOTONES ABSORBIDOS

36/45 DISEÑO DE FOTOREACTORES  = densidad, kg/m 3 v = vector velocidad, m/s  = tensor esfuerzo cortante, N/m 2 p = presión, N/m 2 g = vector gravedad, 9.8 m/s 2 n = vector densidad de flujo, kg/(m 2.s) M = peso molecular, kg/kmol = coeficiente estequiometrico r = velocidad de reacción, kmol/(m 3.s) E = densidad energía total, j/kg i = indice de reacción j = indice de componente NOTACION CAMPO DE RADIACION

37/45 DISEÑO DE PHOTOREACTORES Balance de cantidad de movimiento Balance global de materias Balance de componente j Balance de energia

38/45 BALANCE DE RADIACION U R = energia interna de radiación, einstein/m3 q R = vector densidad de flujo de energia radiante, einstein/(m 2.s) E = velocidad de emisión de energia radiante, einstein/(m 3.s) A = velocidad de absorción de energia radiante, einstein/(m 3.s) c = velocidad de la luz, m/s I w * = intensidad de radiación (escalar y por angulo sólido) en la dirección vectorial w, einstein/(m 2.s.srad) I = intensidad de radiación (escalar), einstein/(m 2.s) x = posición según el movimiento del rayo, m  = ángulo sólido, srad NOTACION

39/45 BALANCE DE RADIACION Para cada longitud de onda

40/45 BALANCE DE RADIACION EN MEDIOS NO EMISORES probabilidad de que una radiación en la dirección w* tome la dirección w despues de la dispersión. Cuando solo hay absorción y dispersión de radiación s = coordenada lineal en la dirección w (camino óptico),m  = coeficiente de absorción de radiación, m -1  = coeficiente de dispersión (scattering) de radiación, m -1 P (w*,w) = función de fase para dispersión w*  w

41/45 BALANCE DE RADIACION EN MEDIOS NO EMISORES NI DISPERSORES Ley de Lambert-Beer radiación paralela W L = Potencia emitida por la fuente, einstein/s A = Sección, m 2 IWIW x x IwIw

42/45 r in r ext r simetría cilindrica r ext r CILINDRO ANULAR

43/45 modelo difuso de Matsuura-Smith CILINDRO bandas de rayos paralelos en lugar de un unico rayo que incide al centro del reactor

44/45 modelo radialmodelo difuso

45/45 modelo lineal esférico de Jacob-Dranoff R ou R H L x s z R in

UNIVERSITAT DE BARCELONA DEPARTAMENT D’ ENGINYERÍA QUÍMICA Tratamiento de oxidación avanzada Santiago Esplugas Recife Agosto 2009