Degradación de Fenol por el proceso Foto Fenton

1. FUNDAMENTOS

1. Antecedentes

El proceso Fenton desde su concepción en 1894 ha evolucionado de un proceso de tratamiento a un proceso catalizador por radiación solar de un proceso viable de purificación de agua, a través del descubrimiento de que todavía puede trabajan a pH casi neutro con la ayuda de ferrioxalato (Giannakis et al., 2018).

El proceso foto-Fenton se lleva a cabo utilizando: sales inorgánicas de hierro (II) disueltas en agua que se convierten en complejos acuosos designados como Fe2+(aq) tras la disolución; peróxido de hidrógeno disuelto (H2O2), compuesto orgánico que se degrada por las reacciones (RH), siendo R el grupo funcional unida a una cadena carbonada; y la irradiación de luz ultravioleta (Vorontsov, 2018).

Desde 1980, el potencial de oxidación-reducción (ORP) se ha empleado como un indicador importante en algunos tratamientos avanzados de aguas residuales como parámetro de control de dosis del reactivo Fenton, esto es, que se han establecido algunas relaciones cuantitativas entre el ORP, los parámetros de operación y la eficacia del tratamiento para optimizar la dosificación de los reactivos Fenton, guiar la operación de la planta de aguas residuales y ahorrar el costo de operación y el consumo de energía (Wang et al., 2018).

1. Agua residual industrial

Las aguas residuales industriales se originan a partir de las aguas provenientes de las industrias en las que no son tratadas de manera adecuada y son vertidas a los cuerpos de agua. Debido a esto, los principales contaminantes del agua se deben a aceites, detergentes, antibióticos, ácidos y grasas, y otros productos y subproductos de origen mineral, químico, vegetal o animal, así como contaminantes emergentes, COP´s y CP´s, su composición es muy variable, dependiendo de la actividad industrial

1. Fenol

El fenol está dentro del listado de sustancias prioritarias de la comisión europea (European Commission, 2011) y de la asociación de protección ambiental EPA por su siglas en inglés, (Environmental Protection Association, 2004). De igual forma, el fenol se considera un compuesto orgánico volátil que puede causar efectos negativos en la salud humana y crear un peligro para el medio ambiente (Yusoff et al., 2019). El fenol generalmente se obtiene a partir del petróleo o alquitrán y se usa ampliamente en industrias químicas, petroquímicas y farmacéuticas, su presencia como contaminante en el aire y en el agua también está relacionado con estos procesos industriales (Wei et al., 2016). Los fenoles, también se define como hidroxiderivados del benceno y sus núcleos condensados pueden estar presentes en las aguas residuales, en las aguas naturales y en los suministros de agua potable. La prevención de daños a los ecosistemas, así como de evitar los riesgos a la salud humana se basan, en parte, en conocer con certeza la concentración de fenol y sus derivados para una correcta adecuación del tratamiento (Secretaría de Economía, 2001). Por lo general, se nombran derivados del miembro más sencillo de la familia, el fenol. Sin embargo, en ocasiones esta nomenclatura se reduce a los hidroxi compuestos y los metilfenoles reciben el nombre especial de cresoles. Esta definición incluye los fenoles di y trihídricos, los ácidos hidrobenzoicos, nitrofenoles, nonilfenoles, clorofenoles, aminofenoles, metoxifenoles, fenoxifenoles, alquilfenoles, derivados de núcleos aromáticos condensados (naftoles) y algunos productos resultantes de la degradación de los plaguicidas. Las propiedades de cada uno de estos compuestos químicos dependen de la naturaleza de los grupos sustituidos en el anillo bencénico (Forum, 1998).

Dado que el fenol es una materia prima importante y esencial casi 700 millones de toneladas de fenol se producen anualmente, por lo que la descarga excesiva de aguas residuales cargadas de fenol en un ecosistema acuoso provoca una serie de graves repercusiones ambientales, incluso a baja concentración (Ren et al., 2017). El aumento de la presencia de fenoles en el ambiente (principalmente el medio acuático) como consecuencia a los derrames accidentales y debido a que el tratamiento convencional de aguas residuales industriales no es el adecuado no es adecuado para su remoción o degradación, crea problemas de salud debido a su toxicidad y actuando corrosivamente en contacto con la piel y membranas de la mucosa (Wei et al., 2016). Por lo tanto, se requiere un tratamiento eficiente para la descarga segura de estas aguas residuales para mantener el ecosistema (Ren et al., 2017).

1. Tratamientos de aguas residuales industriales

Los procesos de tratamiento generalmente se clasifican en (i) químicos, (ii) físicos y (iii) biológicos. De forma similar, en una planta de tratamiento de aguas residuales industriales, las tecnologías de tratamiento se pueden clasificar según su posición en la planta: (i) pretratamientos; (ii) tratamientos primarios; (ii) tratamiento biológico secundario y terciario; (v) tratamientos de refinamiento; y (v) desinfección.

Tratamientos preliminares: todos los sólidos y partículas grandes generados durante el proceso de producción industrial se separan de las aguas residuales. Son removidos los grandes sólidos residuales con un diámetro mayor de 0.5 mm a trevés de retención en mallas para evitar incrustaciones o atascos en los equipos (Ramalho, 2003).

Tratamientos primarios: es la reducción del contenido de grasa, sólidos suspendidos totales (SST) y la demanda biológica de oxígeno (DBO) después del tratamiento preliminar. Los métodos de tratamiento primario fisicoquímicos generalmente incluyen sedimentación, coagulación, floculación y flotación por aire disuelto, algunos sistemas como es el caso de la flotación y la sedimentación, pueden ser utilizados dentro del proceso de tratamiento secundarios y no forzosamente como un método primario aislado (Oropeza Burelo et al., 2004).

Tratamientos secundarios: El objetivo principal es la reducción de la concentración de demanda biológica de oxígeno (DBO) mediante la eliminación de compuestos orgánicos solubles que permanecen después del tratamiento primario. el tratamiento biológico se utiliza para eliminar biológicamente el contenido orgánico y los patógenos mediante la acción de microorganismos. El tratamiento biológico puede incluir diferentes combinaciones de diversos procesos microbianos / biológicos tales como lagunas anaeróbicas, aeróbicas y facultativas, lodos activados y filtros percoladores, entre otros (De Gisi & Notarnicola, 2017).

El tratamiento terciario o avanzado: tiene el objetivo de remover contaminantes específicos, usualmente tóxicos o compuestos no biodegradables o aún la remoción complementaria de contaminantes no suficientemente removidos en el tratamiento secundario (Díaz & Valdez, 2013). Se han aplicado recientemente como la ultrafiltración, nanofiltración y ósmosis inversa. Los procesos de adsorción usan varios adsorbentes como carbón activado, sílice, tierra de batán, ceniza de carbón y otros materiales de bajo costo. Es necesario la implementación de nuevas tecnologías en el tratamiento de aguas residuales industriales, por lo tanto, las plantas de tratamiento han incrementado su nivel de complejidad, en consecuencia, los conocimientos y la experiencia necesarias para diseñar procesos de tratamientos de agua son muy amplios. Al enfocarse en la sustentabilidad y ciertas consideraciones de ahorro energético, se ayuda para que la industria del tratamiento de aguas desarrolle métodos más eficaces para la conservación de los recursos hídricos, uno de los métodos más recientes para la transformación química es la reacción oxidación-reducción (redox), que se basa en la transferencia de electrones entre un reactante y otro, para el caso de los contaminantes son especies reducidas, por lo tanto, el método incluye un agente oxidante y se le conoce como procesos de oxidación, los cuales, se dividen en convencional o avanzada (Howe et al., 2017).

1. Procesos de oxidación avanzada (AOPs)

Los procesos de oxidación avanzada son una modificación de la oxidación simple, que involucra la generación in situ de especies de oxígeno altamente reactivas con baja selectividad como radicales hidroxilos (HO•), H2O2, O3 y radicales anión superóxido (O2•-), proporcionando vías de mineralización completa a CO2, H2O e iones inorgánicos o ácidos (Kanakaraju et al., 2018). El radical hidroxilo es una especie transitoria y altamente reactiva que no es selectiva, por lo que prácticamente puede oxidar cualquier especie. La naturaleza reactiva de este radical da como resultado una cinética muy rápida, de tal modo, que a dosis adecuadas, puede oxidar por completo la materia orgánica generando dióxido de carbono y agua (Howe et al., 2017).

1. Proceso Fenton

La reacción de Fenton fue reportada por primera vez por H. J. Fenton en 1894 y se describe como el potencial oxidativo de H2O2, cuando se usa hierro (Fe) como catalizador en condiciones ácidas. Las reacciones involucradas en los procesos de Fenton son:

Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO• + HO−                                           (1)

•OH + H2O2 → HO2• + H2O                                                 (2)

Fe2+ + •OH → Fe3+ + OH-                                                         (3)

Fe3+ + HO2• → Fe2+ + O2 + H+                                                 (4)

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